1. TÜRKİYE`DE GENEL ENERJİ DURUMU VE SANAYİNİN YAPISI
Transkript
1. TÜRKİYE`DE GENEL ENERJİ DURUMU VE SANAYİNİN YAPISI
1. TÜRKİYE’DE GENEL ENERJİ DURUMU VE SANAYİNİN YAPISI 1.1 GİRİŞ Türkiye’nin enerji politikası; zamanında, iyi kalitede ve yeterli seviyedeki enerji kaynağının, uygun fiyatla milli ekonomiye arzını temel alır. Bu amaca ulaşılmasında, yerli kaynakların ekonomik şekilde kullanılması yanında, ithalat ve yabancı sermaye yatırımları da önemli araçlardır. Yurtiçi kaynakların miktar olarak yetersizliği yanında düşük kaliteli olmaları, özellikle linyitlerin düşük ısıl değer-yüksek kükürt içermesi, vb. problemleri, hem ekonomik yönden, daha önemlisi çevre yönünden büyük sorunlar doğurmaktadır. Geliştirilen çeşitli formüller yardımıyla, yap-işlet-devret, yap-işlet-sahip ol gibi araçlar ve tahkim konusunda yapılan anayasa değişikliği bu yolda atılan önemli adımlardır. Aşağıda görüleceği üzere, yerli kaynak arzı, tüketim artışını karşılayamayacak düzeydedir. Bu nedenle gerek yurtiçi yatırımların finansmanı ve gerekse ithal enerjiye ödenen bedel, kamu imkanlarını aşmakta, yurtiçi ve yurtdışı diğer finansman kaynaklarının da devreye alınmasını zorunlu kılmaktadır. 1.2 TÜRKİYE’DE GENEL ENERJİ DURUMU 1.2.1 Enerji Rezerv ve Potansiyeli Türkiye’nin birincil enerji kaynaklarının rezerv ve potansiyelleri Çizelge 1.1’de verilmiştir (1). Buna göre Türkiye, linyit miktarı açısından iyi durumdadır. Ayrıca hidrolik enerji potansiyeli ile taşkömürü rezervi açısından önemli sayılabilecek bir kaynağa sahiptir. 1 Çizelge 1.1 1.2.2 Türkiye birincil enerji kaynakları (1996 sonu). Kaynak Toplam 1,126 Taşkömürü (milyon ton) 8,075 Linyit (milyon ton) 82 Asfaltit (milyon ton) 1,641 Bitümler (milyon ton) 123,779 Hidrolik (GWh/yıl) 35,045 Hidrolik (MW) 48.4 Ham petrol (milyon ton) 8.8 Doğal gaz (milyar m3) 9,129 Tabii uranyum (ton) 380,000 Toryum (ton) 4,500 Jeotermal elkt. (MW/yıl) 31,100 Jeotermal ısı. (MW/yıl) Güneş 8.8 Elkt.(milyon TEP/yıl) 26.4 Isı (milyon TEP/yıl) Enerji Üretim ve Tüketim Durumu ve Tahminler Yıllar itibariyle birincil enerji üretim ve tüketimleri Şekil 1.1’de verilmektedir (1,2). Buna göre yerli üretimin tüketimi karşılama oranı hızla azalmaktadır. Üretilen, ithal edilen ve tüketilen enerjinin miktarları Çizelge 1.2’de, tüketimin enerji kaynaklarına göre dağılımı Çizelge 1.3’de, tüketimin sektörel dağılımı ise Çizelge 1.4’de verilmiştir (1,2). 2 350 300 Üretim Tüketim 250 200 150 100 2020 2015 2010 2005 2000 1997 1995 0 1990 50 Şekil 1.1 Birincil enerji üretim-tüketim grafiği (1998 yılı itibariyle, 2000-2020 tahminleri dahil). Çizelge 1.2 Türkiye’de üretilen, ithal edilen ve tüketilen enerji miktarı-milyon TEP (1998 yılı itibariyle, 2000-2020 tahminleri dahil). Yıl Üretim İthal Tüketim 52.6 27.5 25.1 1990 63.2 37.0 26.2 1995 71.3 45.6 27.7 1997 91.0 59.9 30.1 2000 124.7 88.9 35.8 2005 175.0 122.3 52.7 2010 233.2 172.2 61.0 2015 314.3 234.9 79.3 2020 3 Çizelge 1.3 Türkiye’de tüketilen temel birincil enerji kaynaklarının miktarı (milyon TEP). Kaynak 1990 1996 2020* 95.8 5.6 6.1 Taşkömürü 33.2 12.4 9.8 Linyit 78.0 30.9 23.9 Petrol 58.4 7.2 3.1 D.Gaz 8.9 3.5 2.0 Hidrolik 5.5 5.5 5.4 Odun 1.9 1.5 1.8 H.ve B.Artıkları 18.3 Nükleer *Tahmin Çizelge 1.4 Türkiye’de birincil enerji tüketiminin sektörel dağılımı (milyon TEP). Sektör 1990 1996 2020* 127.1 17.9 14.5 Sanayi 48.1 17.6 15.0 Konut 39.9 11.8 8.7 Ulaştırma 8.4 2.7 2.0 Tarım 3.2 1.6 1.0 Enerji Dışı 80.9 16.4 11.4 Çevrim *Tahmin Çizelge 1.2-1.4 incelendiğinde; • • • üretim artışının yeterli seviyede olmamasına rağmen, tüketimin büyük bir hızla arttığını, 1990 yılında 27.5 milyon ton petrole eşdeğer ithalat yapılmasına karşılık, 2020 yılı ithalat tahmininin bu rakamın yaklaşık 10 misli olacağını, Enerji açığının özellikle taşkömürü, petrol ve doğal gaz ithalatı ile karşılandığını ve bu ithalatın sürekli olarak artacağını, Enerji tüketimindeki en önemli sektörün şu an itibariyle sanayi sektörü olduğu, gelecekte de bu önemin artarak devam edeceği söylenebilir. Ayrıca, ikinci önemli sektör olan çevrim sektöründen elde edilen elektriğin de temelde sanayi sektöründe tüketildiği göz önünde bulundurulursa, bu sektörde yapılacak enerji tasarrufu faaliyetlerinin ve sanayide enerji yönetiminin, ne derece önem taşıdığı açığa çıkar. 4 1.3 SANAYİNİN YAPISI VE ENERJİ KULLANIMI Türkiye’de sanayinin yapısı ve enerji kullanımıyla ilgili çok detaylı ve güncel bilgiler bulunmamaktadır. Bu kitabın yazıldığı tarih itibariyle en son bilgiler 1995 yılına ait Devlet İstatistik Enstitüsü ve Elektrik İşleri Etüd İdaresi’nin ortaklaşa yürüttükleri proje sonuçlarıdır (3). Bu sonuçlar aşağıdaki çizelgelerde verilmektedir: Çizelge 1.5 İmalat sektörlerinde 1995 yılı enerji tüketimi (TEP). Sektör Tüketim % 964,025 6.91 Gıda 1,003,784 7.19 Mensucat 72,143 0.52 Orman Ürünleri478,389 3.43 Mobilya 2,294,827 16.45 Kağıt ve Basım 3,670,593 26.31 Kimya-Petrol 5,159,095 36.98 Ürünleri 308,988 2.21 Taş-Toprak 121 0.00 Metal Makine 13,951,594 100.0 Diğer 0 TOPLAM 5 Çizelge 1.6 Yakıt türlerine göre enerji tüketimi (1995 yılı-TEP). Sektör Tüketim % 3,409,460 24.44 Fuel-oil 3,010,907 21.58 Taşkömürü 1,827,563 13.10 Linyit 1,611,754 11.55 Elektrik 1,360,753 9.75 D.Gaz 1,159,831 8.31 Kok 913,416 6.55 Petrokok 328,704 2.36 LPG 113,718 0.82 Motorin 111,490 0.80 Kok Tozu 18,479 0.13 Prina 13,374 0.10 Benzin 72,517 0.52 Diğer TOPLAM 13,951,964 100.0 0 Çizelge 1.5 incelendiğinde, imalat sanayiinde enerji tüketimi açısından en önemli sektörlerin sırasıyla; metal, taş-toprak ve kağıt sektörleri olduğu görülecektir. Metal sanayiinin 1992 yılında enerji tüketimi içindeki payı %37.18 iken, 1995 yılında %36.98 olmuştur. Taş-toprağa dayalı ürünler sanayii için bu oranlar 1992 yılında %22.40 iken, 1995 yılında %26.91 olarak gerçekleşmiştir. Kağıt ve basım sanayiinin payı ise 1992’de %18.68’den 1995 yılında 16.45’e düşmüştür. İmalat sanayii enerji tüketiminin enerji kaynaklarına göre dağılımı incelendiğinde fuel-oil ve taşkömürünün en çok tüketilen kaynaklar olduğu görülecektir. İmalat sanayiinde tüketilen enerjinin coğrafik bölgeler itibariyle dağılımı Çizelge 1.7’de verilmiştir. Buna göre 1995 yılında Marmara ve Karadeniz Bölgeleri bu tüketimden en fazla payı alan bölgeler olmuşlardır. 6 Çizelge 1.7 İmalat sektörlerinde 1995 yılı enerji tüketimi (TEP). Sektör Tüketim % 964,025 6.91 Gıda 1,003,784 7.19 Mensucat 72,143 0.52 Orman Ürünleri478,389 3.43 Mobilya 2,294,827 16.45 Kağıt ve Basım 3,670,593 26.31 Kimya-Petrol 5,159,095 36.98 Ürünleri 308,988 2.21 Taş-Toprak 121 0.00 Metal Makine 13,951,594 100.0 Diğer 0 TOPLAM 7 2. ENERJİ YÖNETİMİ Enerji Yönetimine giriş Enerji iktisadi ve sosyal toplumlarda vazgeçilmez bir unsur olarak yer alırken, Enerji üretim ve tüketim trendleri endüstri devrimi ile birlikte hızla yükselerek günümüze ulaşmıştır. Enerji dönüştürme faaliyetleri artık yaşam dengesini etkiler hale gelmiştir. Milletler arasında gelişmişlik seviyelerinin tespiti için artık kişi başına enerji tüketimi bir parametre olmaktadır. Enerjinin insan için gerekliliği kadar kaynaklarında sınırlı olması temel olgulardır. Buna ilave olarak endüstri açısından Enerji yönetimini öne çıkaran hususlar: 1. Süreçlerin Optimisazyonu: Tesis içerisinde kurulacak ve geliştirilecek sistem ile ortaya konulan olan veriler kullanılarak optimisazyonu çalışmaları gerçekleştirilecektir. 2. Birim Maliyetlerin düşürülmesi: Enerji maliyetlerinin düşürülmesinin doğrudan etkisinin yanında in direkt olarak kalite maliyetlerinde ve kapasitenin arttırılmasından dolayı birim maliyetlerde de düşme olacaktır. 3. Kaliteli ve Yeteri kadar Enerji kullanımı: Enerjinin tüketilmesi sırasında miktarı kadar kalitesi ve sürekliğinin sağlanması önem arz etmektedir. 4. Rekabetçi Koşulların korunması: İşletmenin global pazarda ve iç piyasada imaj, teknoloji, pazar imkanları ve yasal zorunlulukların yerine getirilerek rakiplerin bir adım önünde hareket etmesini sağlamaktır. 5. Tesis Ömrünün arttırılması: Tesisin ömrünün ısı ve elektrik tesislerinde yapılacak düşük yıpranma ile arttırılması. 6. Bakım giderlerinin azaltılması: Tesis ömrünün artması ile bakım masraflarında önemli ölçüde azalma olacaktır. 7. Yaklaşan Global Enerji Krizine hazırlık: Önümüzdeki dönemde yapılan dünya enerji tüketim ve kaynaklarına ait verilerle yapılan projeksiyonlarda petrolün 60 yıl civarında doğal gazın ise 45 yıl civarında yetecek kadar rezervinin bulunduğu bilinmektedir. Bu durum enerjinin gittikçe pahalılaşmasına ve tedarikinin zorlaşmasına yol açacaktır. 8 8. Yaşadığımız Çevrenin korunması: Çevre sorunları gelecek yüzyılda insan ırkının yaşantısına en çok etki edecek faktörlerin başında gelmektedir. Mevcut durumda SOx, NOx, tehlikeli atıklar ve partikül maddelerin atmosfere atılmadan tutulması için çeşitli çalışmalar yapılmış olup başarılı sonuçlar alınmıştır. Ancak CO2 ve Metan gibi sera etkisi çok yüksek olan gazlarda bu çalışma klasik yöntemlerden farklı olarak daha karmaşık metotlara yöneltmektedir. Örneğin verimli yanma reaksiyonun bir sonucu olarak CO2 gazının elimine edilmesi ancak enerjinin tüketimini kontrol altında tutularak yahut yenilenebilir enerji türleri ile mümkün gözükmektedir Bütün bu gerçekler karşısında işletmeler ve organizasyonlar bünyesinde oluşturulacak enerji yönetimi sistemi: • • • Ürün kalitesinden, güvenlikten ve çevresel koşullardan fedakarlık etmeksizin, Üretimi azaltmaksızın , Enerjinin daha verimli kullanımı doğrultusunda yapılandırılmış ve organize edilmiş disiplinli bir çalışmadır. Enerji Tasarrufu Enerji tasarrufu projeleri, Enerjinin gereksiz kullanım sahalarını belirlemek, İsrafı minimum düzeye indirmek veya tamamen ortadan kaldırmak için yapılan çalışmalardır. • • • • • Proses gereği çeşitli şekillerde ortama atılan enerjilerin geri kazanılması. Dizayn, proses geliştirme ve daha akılcı kullanımlarla sağlanacak tasarruflar. İstenmeyen kaçakların önlenmesiyle sağlanacak tasarruflar. İlk anda alakasız görünen ancak büyük enerji kayıplarına sebep olan uygulamaların değiştirilmesi Bakımın etkinleştirilmesi, verimin arttırılması, hızlı ve yeterli ikmal vb. Bir çok işletmede enerji tüketimleri maliyetlerin içerisinde çok önemli bir oran tuttuğu halde yöneticiler tarafından belli bir metodoloji ile projelerin üretilmesi nadir olarak rastlanır. Projeler, zorunluluk gerektiren hallerde ve devamlılık içermeyecek şekilde tamamlanmakta darboğaz aşıldığında rafa kaldırılmaktadır. Bu durum işletmelerde ve çeşitli organizasyonlarda diğer geliştir faaliyetlerine de yansımakta ve gelecekteki projelerin başarısına olumsuz etki etmektedir. 9 Dünyada 70’li yıllarda enerji krizleri ,gün geçtikçe ağırlaşan rekabet koşulları ve bunlara ilave olarak çevre sorunlarının baskısı ile, işletmeler ve organisazyonlar içerisinde başlatılan ve günümüze dek gelişim sürecini sürdüren enerji tasarrufu projeleri sonunda metodolojisi belirlenen ve sürekli iyileştirmeye dönük Enerji Yönetimi Sisteminin temelleri atılmıştır. Enerji yönetim sistemi işletme içerisinde mevcut diğer yönetim sistemleri ile paralel, fazla ilave yük getirmeden kendine ait organisazyona ve dokümantasyona sahip olarak oluşturulmalıdır. Enerji kısıtlaması, enerji yönetimi ile ortadan kaldırılması hedeflenmiş olup Enerji tüketiminin, mal ve hizmet üretiminin azaltılması yoluyla düşürülmesidir. Kimi işletmeler kriz süreçlerinde bu yolu seçmelerine rağmen gerçek anlamda enerji yönetimi içerisinde hareket edilmemektedir. Bu bölümde Enerji yönetiminin bir organisazyon içerisinde oluşturulması, yönetilmesi ve geliştirilmesi hedefine yönelik olarak aşağıdaki başlıklar incelenecektir; • Enerji yönetim programı için hazırlık aşaması, • Enerji yönetimi organizasyonu, • Üst yönetimin katkısı ve desteği, • Enerji yöneticisi, • Enerji komitesi, • Teknik danışmanlar, • Enerji yönetimi metodolojisi, • Veri toplama, değerlendirme ve planlama, • Uygulama, • Raporlama ve değerlendirme, • Devamlılığı sağlama. Enerji yönetimine hazırlık aşaması Enerji yönetim programı öncesinde şirket içerisinde bu programın başlatılması için aşağıda açılanan ön çalışmaların gerçekleştirilmesi gereklidir. Bu faaliyetler fazla zaman ve maddi kaynak gerektirmeyecek şekilde mümkün olan en kısa sürede bitirilmelidir. Ön çalışmaların amacı kurulacak olan enerji yönetim sistemi için ihtiyaç duyulacak personelin, organisazyonun ve ön verilerin hazırlanması ve değerlendirilmesidir. 10 Personelin eğitimi: Dünyada ve ülkemizde Enerji yönetim sisteminin oluşturulması ve uygulanması için atanan personelin çeşitli eğitimler ile yeterliliklerinin arttırılması ve sertifikalandırılması gerekmektedir. Ülkemizde de pek çok gelişmiş ülkede uygulandığı gibi yetki almış kurumlar tarafından bu eğitim Enerji Yöneticisi kursu adı altında düzenlenmektedir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’nca 11 Kasım 1995 tarih ve 22460 sayılı Resmi Gazetede “Sanayi Kuruluşlarının Enerji Tüketiminde Verimliliğinin Arttırılması Hakkındaki Yönetmelik” yayınlanmıştır. Bu yönetmelik, ülkemizde sanayi, sanayi ve ticaret odalarına bağlı olarak Kamu ve Özel Sektörde faaliyet gösteren kuruluşlar ile maden çıkartılması ve işletilmesi ile ilgili ve yıllık toplam enerji tüketimi 2000 TEP veya üzerinde olan sanayi kuruluşlarında enerji kullanımında verimliliğin arttırılması için alınması gerekli olan önlemleri, enerji etüt çalışmalarını, tasarruf planlarının hazırlanmasını, enerji tüketimlerinin izlenmesini ve Enerji Yönetim Sisteminin oluşturulmasını kapsamaktadır. Söz konusu yönetmeliğe göre, fabrikalarca atanacak Enerji Yöneticilerinin Sertifika sahibi olmaları gerekmektedir. Enerji Yöneticisi Sertifikası, UETM tarafından yetkilendirilmiş kurumların düzenleyecekleri kursları takiben yapılacak sınav sonucunda UETM tarafından verilir. Enerji Yönetimi kursunu başarı ile tamamlayarak UETM tarafından sertifikalandırılan Enerji yöneticileri İşletmelerinde enerji yönetim sistemini oluşturarak raporlama yetkisine sahip olmaktadır. Enerji yöneticilerinin ileri sanayi ülkelerindeki yerini belirlemek için Japonya’dan verilen iki grafikte 1992 verilerine göre ısı ve elektrik enerjisi yöneticilerinin kanunun öngördüğü ve istihdam sayıları ile oranları şunlardır. Grafik…… 11 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Gereken Is ı Mevcut To pl am Ka ğı K t Pe im tro ya ki m y To a pr ak Ç e El lik ek tri k G az İstihdam/kişi Elektrik Enerji Yöneticisi Endüstri Grafik …. Elektrik enerjisi yöneticisi istatistikleri Isı Enerji Yöneticisi 14000 İstihdam/kişi 12000 10000 8000 6000 Gereken 4000 Mevcut 2000 Is ı G az Ka ğı t Ki m ya Pe tro kim ya To pr ak Çe lik El ek tri k To pl am 0 Endüstri Grafik ….. Isı enerjisi yöneticisi istatistikleri 12 Bu grafiklerde de görüldüğü üzere işletmeler personel politikaları çerçevesinde kanunun gerektirdiğinin üzerinde istihdam yaratmakta ve mevcut personelinin bu eğitimi almasını sağlamaktadır. İşletmede Uygulanacak Sistemin Boyutlarını ve Özelliklerini Belirleme: İşletmeler, Organisazyon, finansman, proses ve ürün gibi özelliklerde farklılaşmakta ve aynı sektörde üretim yapan iki firma için dahi farklı reçeteler firmanın özelliklerine göre geliştirilebilmektedir. Enerji yönetimi sisteminin hazırlık aşamasında üst yönetiminde hazır bulunacağı toplantı ile işletmenin uygulayacağı programın seviyesi, mali ve idari boyutu, teknik donanım ve personel yapısı ile ön eğitimler belirlenir. Toplantı sırasında daha kolay sonuca ulaşmak ve karar verme mekanizmasına yardımcı olmak işin iki yöntem uygulanabilir; • Danışman hizmetinin alınması: Daha önce enerji yönetim sistemi hakkında deneyimli kişiler yahut profesyonel kurumlar toplantıya davet edilerek görüşlerinin alınması, • Kolay ulaşılabilir verilerin derlenmesi: Mevcut enerji tüketim değerleri ve üretim gibi kolaylıkla bulunacak sayısal değerler ile personel eğitim ve uzmanlık kayıtları yer alması toplantının sonucuna yardımcı olacaktır. Toplantı sonucunda; • Enerji yöneticilerinin kim olduğu ve işletmenin hangi bölümlerinden sorumlu oldukları, • Enerji komitesine kimin liderlik edeceği ve tabii üyelerinin kim olduğu, • Enerji yönetimi başlangıç eğitimlerinin tanımı, • Global hedefler, • Sistemin boyutu, • İşletmede mevcut diğer yönetim sistemleri ile entegrasyonu belirlenmelidir. Bu sayede sistem içerisinde yer alan herkes sistemin boyutu, işleyişi ve hedefleri hakkında genel fikri ve bilgisi olacaktır. Günümüzde yeni uygulanan her sisteme karşı işletme bünyesinde oluşan tepkiler bu sayede minimize edilebilecektir. Enerji yönetimi organizasyonu 13 Enerji yönetim sistemi işletme içerisinde enerjiyi üretenden en son kullanıcıya kadar kapsayan bir organisazyona sahiptir. Ancak bunun yanında enerji komitesi ve enerji yöneticisinin proje geliştirmek ve uygulamak için bir organisazyon şeması içerisinde hareket etmesi gerekmektedir. Bu şema işletmeler arasında büyük farklılıklar gösterebilir. Bazı işletmelerde çok detaylı ve bir çok kişinin bulunduğu bir şema iken diğer bir işletmede bir enerji yöneticisi ve bir iki ilave kişi olabilir. Ana hedef enerji tasarrufu projeleri geliştirmek ve uygulamak olduğunda bu tip organisazyon içerisinde mühendislik, arge, bakım, yatırım ve finansman unsurlarını içermesi uygun olacaktır. Aşağıda orta boyutlu bir işletmede örnek bir organisazyon şeması görülmektedir. Bu şema içerisinde projeden rol alacak departmanlar seçilmiş enerji komitesi daimi üyeleri gösterilmiştir. Genel Müdür Yönetim Kurulu Enerji Yöneticisi Teknik Danismanlar İmalat Departmani Bakım Departmanı ARGE Departmanı Finansman Departmanı Lojistik Departmanı Şema….. Örnek bir işletmede organisazyon şeması Üst Yönetimin Katkısı ve Desteği: Bir işletmede enerji yönetimi ve diğer benzer projelerin üst yönetimin hissedilir desteği olmaksızın yürütülmesi ve hatta kabul görmesi imkansızdır. Bu nedenle proje kesinlikle üst yönetim tarafından başlatılmalı ve işletme organisazyonda yer alan en düşük seviyedeki çalışanda bundan haberdar edilmelidir. Sonuçta işletme içerisinde kar ve zarar yahut başarıların ve başarısızlıkların sorumluluğu üst yönetimin üzerinde olacaktır. Bu nedenle kısmen yatırım yerine karlılığın daha yüksek olduğu alanlara doğru ilginin artacağı kesindir. Ancak üst 14 yönetimin bu konuda ikna edilmesi ve yönlendirilmesi sadece kendi projesi gibi gördüğünde mümkündür. Bunun yanında orta kademe yöneticilerde bu sayede daha işbirliğine yatkın ve heveslin olacakları aşikardır. Üst yönetim enerji yönetimi konusunda teşvik edici, denetleyici ve yönlendirici hatta birincil sorumlusu olarak hareket etmelidir. Enerji Yöneticisi: Enerji Yöneticisi İşletme bünyesinde oluşturulacak enerji yönetim sistemi içerisinde kendi sorumluluğunda bulunan bölümlerde proje oluşturma ve uygulama süreçlerini yönetecek bilgi ve beceriye sahip olmalıdır. Enerji yöneticisi sayısı bir işletmenin büyüklüğü ile orantılı olarak birden fazla olabilir. Bu durumda enerji yönetim sistemi faaliyetleri bir noktada toplanarak enerji yöneticileri arasından atanan kıdemli enerji yöneticisi başkanlığında komite tarafından koordine edilir. Ülkemizde bir çok işletme bir enerji yöneticisi ile yetinmektedir. Bu durumda enerji yöneticisi tüm programı yönlendirecek vasıflara sahip olmalıdır. Bilhassa fazla teknik personeli bulunmaya küçük ve orta ölçekli işletmelerde enerji yöneticisinin iş yükü oldukça fazla olmaktadır. Bu nedenle Enerji yöneticisinin mühendislik altyapısı olması teknik problemleri analizinde sonuç almayı hızlandıracaktır. Teknik alt yapının yanında yöneticilik ve finansman konusunda da ehil olması gereklidir. Bütün bu temel bilgilerin yanında enerji yöneticisine özel olarak aşağıdaki bilgiler enerji yöneticiliğini mükemmel bir şekilde gerçekleştirmesinde yardımcı olacaktır : Teknik Özellikleri • Fabrikanın üretim prosesleri ve son ürün kalitesiyle ilgili bilgi • Veri toplama, analiz ve raporlama yeteneği • Temel enerji tüketim ekipmanları ile ilgili bilgi • Ekipman seçimi, sistemi denetleme, bakım vb. İdari Özellikleri • Yetkinliği - Etkinliği • İletişim kurma Enerji Yöneticisinin Görevleri: 15 • • • • • • • • • • Üst Yönetimi Bilgilendirme, Yönlendirme ve ikna; Üst yönetimin düzenli olarak aylık raporlar ile bilgilendirilmesi, Projelerin çeşitli safhalarında gidişatı belirliyecek karar verme aşamalarında yönetime teknik destek verecektir. Enerji Komitesine Liderlik etmek; Enerji komitesinin toplantılarında oturumu başkanlığı, gündemin belirlenmesi, iş dağılımı ve önceliklerin belirlenmesini sağlar. Verilerin toplanması; Sayaç verileri toplama ve analizler, aylık enerji faturalarının irdelenmesi, kaliteli ve yeterli enerji sağlamak ve bunun için izleme sistemi oluşturmaktır Enerji Tasarrufu İmkanlarını belirlenmesi; Çeşitli verileri inceleyerek olası tasarruf imkanlarını araştırmak bunlar hakkında fizibilite etütleri yaparak geri ödeme sürelerini tespit ettikten sonra maksimum karlılık ve optimum şartları bir araya getirmektir. İşletmenin diğer kısımlarına teknik bilgi aktarma; Satın alma ve Üretim hatta teslimat gibi departmanlara enerji verimliliği hakkında sürekli bilgi aktarımı. Yasal karar ve uygulamaları takip edip, organizasyona uyarlama; Mevcut yasalar ile kararnameleri bilmek ve yeni oluşturulacak yönetmelikleri takip ederek işletmesinin yararını gözetmek. Proses, Makine ve teçhizat için performans standartlarının güncel tutulması; Mevcut sistemin kolaylıkla takip edilebilmesi için eldeki bilgileri ve katalog değerlerini toplamak ve değerlendirmektir. Enerji Tasarrufu Projelerinin Denetlenmesi; Yürütülen projelerin gelişme yüzdelerini takip etmek, etkinliğini ve değerini ölçmek, hedeflerdeki sapmaları nedenleri ile incelemektir. İletişim ve Halkla İlişkiler; gerçekleştirilen projeleri rekabet koşulları çerçevesinde tüketicilere ve diğer firmalara duyurmaktır. Ulusal ve Uluslararası gelişmeleri takip etme; İşletme dışındaki teknolojik gelişmeleri takip ederek uygulamak ve enerji tüketim değerlerini dünya standartlarında tutarak rekabetçi beklentileri karşılamak. Enerji Komitesi İşletme içerisinde bulunan değişik birimlerden kişilerin katılarak çeşitli disiplinlerin temsil edildiği enerji komitesi enerji ile ilgili tüm faaliyetleri aylık olarak gözden geçirmek üzere toplanır. Enerji tüketim değerleri, faturalar, mevcut projelerin son hali ve planlanan projelerin durumu incelenir. Gerekirse yeni projeler için yeni takımlar oluşturulur. Enerji komitesi görev ve yetkileri kısaca şu başlıklar ile tanımlanır; • Farklı çalışma alanlarında tüm enerji ile ilgili faaliyetleri planlar ve uygular. 16 • • Enerji komitesinin niteliği, yönetim yapısına, enerjinin tip ve miktarına diğer faktörlere bağlı olarak değişiklik gösterir. Komite şirket içi veya dışı danışmanların ilgi ve deneyiminden gereğinde faydalanır. Teknik Danışmanlar; İşletme içerisindeki kaynakların yerinde ve verimli kullanılması, teknik gelişmeleri takip edebilmek ve işletmenin getirdiği bazı zaafları yenebilmek amacı ile teknik danışmanlar kullanılabilir. Teknik danışmanlar Üniversite çevrelerinden, Araştırma kurumlarında, Özel sektördeki profesyonel firmalardan ve yurtdışındaki ana firmadan olabilir. Enerji komitesi herhangi bir proje için yahut sürekli danışman yardımına ihtiyaç duyacaktır. Enerji yönetim sistemi bünyesinde dünyadaki uygulamalar çerçevesinde değişik ülkelerde danışmanlık hizmeti veren çeşitli organisazyonlar bulunmaktadır. Bu organisazyonlar ülkenin, kanunların ve piyasa koşullarının getirdiği farklı yapılar ve işleyiş tarzlarına sahiptirler. Bu farkları gruplandırdığımızda değişik hizmet ve çalışma sistemleri ortaya çıkmaktadır. • Bireysel Danışmalar: Herhangi bir konuda derinlemesine uzmanlaşmış üniversite çevrelerinden yahut sektörün içinde yıllarca tecrübe kazanmış kişilerin oluşturduğu gruptur. Firmaların ihtiyacı doğrultusunda bir projenin süresince yahut danışman kişinin uzmanlık konusuna bağlı olarak sürekli olarak destek sağlayabilirler. İşlevleri genellikle yol gösterici niteliktedir. • Kurumsal Danışmanlar: Sektörel bazda uzmanlaşmış ve bir çok disiplini içinde bulunduran kamu yahut özel kuruluşlardır. İşletmelerde alışılagelmiş şekli ile anahtar teslimi sonuçlar sunarlar. Genellikle kontrat ile projenin başlangıcı ile bitirilmesi arasında görev alırlar. Teknik Danışmaların etkin olarak kullanılması: Teknik danışman talep etmeden önce belirlenen sorun yahut geliştirme faaliyeti için firma içi tetkik ve analiz yapılması gerekmektedir. Bu aşamada projenin uygulamasını üstlenecek takım kurulmalıdır. Proje takımının saptayacağı konularda danışman ihtiyacı üst yönetime bildirilmeli. Bu safhada danışman maliyeti, geri ödeme süresi ve çıktılar belirlenmelidir. Bir işletmede teknik danışman ihtiyacı şu nedenlerle olabilir: • İşletme içerisinde mevcut bulunmayan spesifik bilgi ihtiyacı, 17 • • • • • Mevcut personelin belirliyemediği dönüm noktaları ve metotlar, Personelin aşırı yüklenerek varılmak istenen sonuçlardan uzaklaşma Gereksiz istihdam İşletme körlüğünün ortadan kaldırılması Personelin eğitimi Proje takımı danışman ile bir araya gelerek gerçekleştirilmesi istenen hedeflerin ve aşamaların tanımını ayrıca danışmanın hazırlayacağı son ürünün içeriğini hazırlamalıdır. Unutulmamalıdır ki Teknik danışmanlar ancak işletmenin katkısı ve yönlendirmesi ile istenen hedefleri tam olarak tutturabilirler. Projenin başarısı için proje yönetimi esasları uygulanarak çeşitli kilometre taşları belirlenmeli ve bu tarihlere kesinlik getirilmelidir. Proje değerlendirme raporunda içerik, projenin yapısına göre değişmekle birlikte aşağıdaki gibidir; 1. Özet 2. Problemin tanımı a. Amaç ve hedefler b. Mevcut problem c. Önerilen çözüm 3. Teknik fizibilite a. Tesis ve/veya Ekipman etmenleri b. Geliştirme etmenleri c. Operasyon etmenleri 4. Alternatif Çözümler a. Analiz ve ölçüm sonuçları b. Öngörülenler c. Geliştirme planı 5. Yatırım ve Kar etmenleri a. İlk yatırım maliyeti b. İşletme maliyeti c. Tasarruf miktarları 6. Geri Ödeme a. Ekonomik fizibilite b. Öngörülemeyenler Enerji yönetimi metodolojisi 18 Enerji yönetimi metodolojisi içerisinde Veri toplama, değerlendirme ve planlama, uygulama, raporlama ve değerlendirme, devamlılığı sağlama aşamaları yer alır ancak bütün bu aşamalar sırasında etkili birkaç temel husus bulunmaktadır. Bu hususlar sırası ile aşağıda verilmiştir; • Üst yönetimin rolü: Kısa ve uzun vadeli planlama ile belirlenen tesisin enerji tüketim hedef değerleri üst yönetim tarafından sürekli izlenmelidir. Tasarruf aktivitelerinin oluşturulması için ağ kurulması ve gözlenmesi ayrıca sonuçların değerlendirilmesi üst yönetimin üstleneceği görevlerdir. • Gerçekçi Hedefler: Hedefler gerçekçi, ulaşılabilir ve ölçülebilir olmalıdır. Hedeflerin enerji birimleri cisimden Kwh, Kcal/ton olarak kabul edilmesi para birimine nazaran daha etkili ve ölçülebilir olacaktır. • Belirlenmiş Sorumluluklar: Üst yönetim enerji yönetimi organisazyonun oluşturulması ve sorumlulukların paylaştırılmasında sorumludur. Enerji yönetimi önemli bir kayıp azaltma programı olup küçük bir ek iş yahut formalite değildir. Her ne kadar üst yöneticiler saati saatine izlemeseler de bu tip operasyonları yetki devri ile kolaylık belirlenmiş kişileri organisazyon içerisine alarak yürütülebilir. Ancak yetkinin devredildiği kişiler direkt olarak tanımlanmalıdır. • Tüm Çalışanların kapsanması: Her bir çalışanın bu proje tarafından kapsanması sağlanmalıdır. Çalışanların görüş ve önerilerinin toplanması için enerji komitesinin bazı araçlar üretmesi gereklidir. Tüm çalışanlar enerji komitesinin enerji tasarrufu planları ve rolünden haberdar olmalıdır. Burada katılımı arttırmak amacı ile: o Örnekler ile önderlik, o Üstlenilen yaklaşımın çerçevesinin çizilmesi, o Ekip liderlerinin seçimi, o Öneri sistemini çekici kılmak, o Müsabaka yaratmak, o Kısa ve uzun vadeli hedefler, o Eğitim, o Uygulamaları evlerine taşımaları için teşvikler uygulanabilir. • Enerji kullanımının sorgulanması • Önceliklerin tespiti. Veri toplama, değerlendirme ve planlama Veri toplama başlatılacak her hangi bir proje için hedeflerin ve referansların oluşturulabilmesi için ilk adım niteliğindedir. Bunun için sağlıklı ölçümler ve dokümanlar ile veri tabanının oluşturulması gereklidir. 19 Veri Tabanı Oluşturulması; Enerji yönetimi için gerekli veri tabanına aşağıdaki değerlerin bir araya getirilmesi gerekmektedir: • • • • • • • • Tüketilen Enerjinin proses veya İşletme içindeki dağılımı Şirkette tüketilen enerjinin parasal değeri nedir? Enerji maliyeti üretim maliyetinin % kaçıdır? Enerji tüketimi, üretim maliyetlerini kim izler? Bilgilere nasıl ulaşılır? Şirketin büyüklüğü, ürün çeşitleri, enerji tüketen ekipmanların sayıları kapasiteleri ve tipileri? Enerji tüketimini izlemek için sıkıntılar? Gerekli ekipmanlar? Maliyetleri? Enerji tasarruf miktarı? Mevcut şirket kazancı ile mukayesesi? Benchmarking sonuçları Verilerin toplanması sırasında dikkat edilecek hususlar ise: • • • Ortam sıcaklığı, Çalışma sıcaklığı, Ürün tipi, Çalışma saatleri, Makine hızı, Üretim miktarı vb. Önemli değişkenler olup Enerji Tüketimi takip formlarının üzerine aynı anda kaydedilerek değerlendirmeler sırasında dikkate alınmalıdır. Spesifik değişkenler (Fabrikanın bir bölümünün üretim miktarına göre enerji ihtiyacını belirler) Kontrol edilebilir ( İşletme uygulamaları, sistem kontrolü, üretim planlaması, bakım standardı gibi enerji tüketimini en aza indirebilmek için yönetim tarafından planlanan değişkenlerdir). Veri Analiz Yöntemleri; toplanan verilerin analizi için aşağıdaki araçlar kullanılabilir: • • • • • Akış Şemaları Spesifik Enerji Tüketimi Gruplandırma Pareto Diyagramı Beyin Fırtınası 1. Akış Şeması üzerine kütle ve enerji akışları yazılarak denge oluşturulabilir. 20 Akış şeması üzerinden okunan değerler bir tabloda değerlendirile bilinir. Aylık Enerji ve Yakıt Tüketimi Proses Elektrik Fuel Oil Mwh USD Öğütme 252 17640 Kurutma 100 7056 Ambalaj 25 1764 Ton 100 Toplam USD 15724 TEP USD 22 17640 261 22780 2 1764 Toplam 377 26460 100 15724 285 2. Spesifik Enerji Tüketimi: Birim ürün başına kullanılan enerji. 42184 21 SET değerleri, enerji tasarruf çalışmaları ile düşeceği gibi, Ürünün üretim miktarının arttırılması ile de azaltılabilir. ( Üretim dışı sabit enerji tüketimleri). Akış Şemasındaki Ürün için Elektrik Tüketimi = 1870 Kwh/ton ürün Fuel Oil Tüketimi = 0.5 ton/ton ürün Spesifik Enerji Tüketimi = 1.4 TEP/ ton ürün 3. Gruplandırma: Seçilmiş Ortak değişkenler ve karakteristiklere göre verilerin ayrılması / sınıflandırılmasıdır. İşletmelerin ürettikleri ürünlerin aşırı çeşitlilik göstermesi durumunda uygulanacak bir araçtır. 4. Pareto diyagramı: Enerji tüketiminin yoğun bulunduğu ve üzerinde proje geliştirildiği takdirde tasarrufların yüksek olacak noktaların belirlenmesi için kullanılan araçtır. Uygulanması aşağıdaki gibidir; • Enerji tüketimine katkıda bulunan unsurlar tüketim miktarına göre sıralanır. • Her bir unsurun tükettiği enerji türleri kıyaslanabilir tek birime indirgenmelidir • Büyükten küçüğe doğru sıralanan unsurların toplam sonuçları yüzdeler ile gösterilir Bu sayede odaklanılacak olan prosesler ortaya çıkarılır 22 5. Beyin Fırtınası: Belirli bir konu üzerinde, katılım ve yaratıcılığı kolaylaştırıcı bir atmosfer yaratarak pek çok fikrin ortaya çıkmasını hedefleyen bir takım tekniğidir. 23 Enerji Yönetiminin Uygulama Safhası Uygulama safhası aşağıdaki aşamalardan oluşur ; • Tasarruf potansiyelinden haberdar olma: Derlenen ve analiz edilen veriler ile tasarruf potansiyeli belirlenir. • Yönetimin desteği: Üst yönetimden onay. • Ön enerji etütleri: Survey şeklinde enerji etütleri. Bu sayede hatalı kullanımdan doğan birçok imkan ortaya çıkarılabilir. • Detaylı enerji etütleri: Teknik ekipman ve personel ile proseslerde yapılan ölçümlerle desteklenen etütler. • İşletme, Bakım ve Raporlama Prosedürlerinin kurulması • Sermaye yoğun yatırımlar için ön fizibilite • Finansman temini • Ekipman seçimi - Satın alma • Kurma - Devreye alma • İzleme Enerji Tüketim denklemleri: 24 İşletmenin Enerji tüketimini formulüze edilmesi amacı ile prosesin tümünün yada bir bölümünün enerji tüketimi ve üretim arasındaki değişimi göstereren fonksiyon halinde yazabiliriz ; • E=a Değişik üretim miktarları için Enerji tüketimi sabittir ve spesifik değişkenler yoktur. Enerji Tüketim / Üretim grafiği Enerji Tüketimi (TEP) 250 200 Enerji Tüketimi (TEP) 150 100 Linear (Enerji Tüketimi 50 0 0 100 200 300 400 500 600 Üretim (birim) 700 800 900 • E = a + bP Enerji tüketimi bir tek spesifik değişken olan üretime bağlıdır. a sabiti üretimden bağımsız enerji tüketim miktarıdır. b sabiti spesifik değişkenin her bir birim artışına karşılık gelen enerji tüketim artışıdır. 25 Enerji Tüketim / Üretim grafiği Enerji Tüketimi (TEP) 250 200 Enerji Tüketimi (TEP) 150 100 Linear (Enerji Tüketimi 50 0 0 100 200 300 400 500 600 Üretim (birim) 700 800 900 • E = a + bP1 + cP2 + dP3 +....… Enerji tüketimi, üretim miktarı, hava koşulları, çalışma saatleri gibi çeşitli değişkenler veya aynı bölümde üretilen çeşitli tip ürünler gibi P1, P2, P3, .. spesifik değişkenlerine bağlıdır. Enerji Tüketim / Üretim Grafiği 400 A ürünü Enerji Tüketimi (TEP) 350 B ürünü 300 250 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 Üretim (birim) 26 Hedef belirleme Metotları: • En iyi geçmiş performansa dayalı:Enerji tüketiminin üretime karşı grafiğinde belli bir alan içinde dağılan noktalar birleştirilerek standart doğru elde edilir. Bu standart doğrunun altında kalan değerler en iyi verime sahip tüketimleri göstermektedir. • Basit yüzde indirimi:Hedef, hesaplanan standarda nazaran belirli bir indirim örneğin % 5 indirim yapılarak belirlenebilir. • Beklenen performans:Örneğin E = a + bP şeklindeki denklemde a’nın değeri düşürülmeye çalışılır. Bu durumda a üretime bağlı olmayan enerji miktarıdır. Raporlama ve değerlendirme Proje rapor formatı yönetmelikte belirtildiği şekilde hazırlanmalıdır. Bunun yanında ilerki çalışmalara yönelik anahtar doküman olacaktır. Hazırlanacak raporda dikkat edilmesi gereken noktalar sırası ile: • Yönetime verilen raporların kolayca anlaşılması gerekir. Bu nedenle genel sonuçlar bölümü ilk kısımda ve mümkün olduğunca kısa verilmelidir. Rapor aşağıdaki kısımları ihtiva eder. • Genel sonuçlar • Mevcut durumda Prosese ait Kütle ve Enerji Denklikleri • Hedeflenen durumda Prosese ait Kütle ve Enerji Denklikleri • Akış şemaları • Tasarruf Tedbirleri ve Projeleri • Maliyet Analizleri • Geri Ödeme Süreleri • Ölçümler Devamlılığı sağlama: Enerji yönetiminin devamlığının sağlanması için bitirilen projeler ve etkileri duyurulmalıdır. Projelerde çalışan ve öneri getiren personel ödüllendirilmeli, proje kapanışı bir seremoni ile yapılmalıdır. 27 Unutulmamalıdır ki Enerji yönetimi sayesinde işletme rekabet gücü arttırılacak ve bundan önemlisi yaşadığımız dünya kaynakları daha az kirletilecektir. Yaşadığımız Çevre, bize önceki nesillerden bir miras değil, gelecek nesillerden ödünç aldığımız bir emanettir. 28 2. ALTERNATİF ENERJİ KAYNAKLARI İÇİNDEKİLER 1. Yenilenebilir enerjinin temel prensipleri 1.1 Giriş 1.2 Çevresel enerji 2. Hidroelektrik enerji 2.1 Giriş 2.2 Hidroelektrik sistemlerin sınıflandırılması ve tasarımı 2.3 Hidroelektrik sistemlerde kullanılan türbinler ve regülasyon 2.4 Türkiye'nin hidroelektrik potansiyeli 3. Güneş enerjisi 3.1 Giriş 3.2 Güneş enerjisinin ısıl çevrim yöntemi ile toplanması 3.2.1 Düşük sıcaklık uygulamaları 3.2.2 Orta sıcaklık uygulamaları 3.2.3 Yüksek sıcaklık uygulamaları 3.3 Güneş enerjisinin yoğunlaştırılmasında kullanılan teknolojiler 3.4 Fotovoltaik pil uygulamaları 3.4.1 Fotovoltaik pillerin uygulama alanları 4. Rüzgar enerjisi 4.1 Giriş 4.2 Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması 4.3 Rüzgar enerjisinden faydalanma yolları 4.4 Dünya ve Türkiye'de rüzgar enerjisi çalışmaları 5. Jeotermal enerji 5.1 Giriş 5.2 Jeotermal enerji kaynakları 5.3 Jeotermal enerji kullanım alanları 5.4 Jeotermal enerjiden elektrik üretimi 5.5 Türkiye'nin ve Dünya 'nın jeotermal enerji potansiyeli 6. Biyokütle Enerjisi 6.1 Giriş 6.2 Biyokütle kaynakları 6.3 Biyokütlenin enerjiye dönüştürülmesi 6.4 Biyokütlenin termal parçalanması Kaynaklar 29 1. Yenilenebilir enerjinin temel prensipleri 1.1 Giriş Dünyanın yıllık enerji ihtiyacı nüfus artışına paralel olarak hızla artmaktadır. Gelişen teknoloji ile birlikte ham petrol ve doğal gaz fiyatlarındaki artışlar, kömür kullanan tesislerin ve nükleer enerjinin çevre üzerindeki olumsuz etkileri yenilenebilir enerji kaynaklarının daha etkin kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. Fosil yakıtların yanması sonucu oluşan ve atmosfere verilen, SOx, NOx, ve toz gibi kirletici emisyonlarla beraber sera etkisi yaratarak iklim değişikliğine neden olan CO2 emisyonları çevreyi olumsuz yönde etkilemektedir. Özellikle ısıl değerleri düşük, kül ve kükürt içerikleri yüksek olan kalitesiz yerli linyitlerin kullanılması, hava kirliliğini artırmaktadır. Bu olumsuz etkiler yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasının önemini artırmaktadır. Bugün gelişmiş veya gelişmekte olan ülkeler kendi olanakları içinde değişik enerji kaynaklarının kullanılmasına öncelik vermektedirler. Dünyanın bilinen petrol rezervlerinin 2050 yılında, doğal gaz rezervlerinin 2070 yılında ve kömür rezervlerinin 2150 yılında tükeneceği beklenmektedir. Bu nedenle Enerji üretiminde 21. yüzyılın başlarında fosil yakıtların kullanılması gerek çevre, gerekse artan fiyatlar nedeniyle ekonomik olmaktan çıkacaktır. Sanayide fosil kökenli enerji kaynaklarının tasarrufunda kısa vadeli önlemler olarak yalıtım ve uygun malzeme seçimi uzun vadeli önlemler olarak ta yenilenebilir enerji kaynaklarının tüketiminin artırılması önerilmektedir. Bunun için sanayi dallarında enerji ihtiyacının dağılımı (proses sıcaklıklarının mevsimsel dağılımı gibi) belirlenmeli ve yenilenebilir enerji kaynakları içinde hangisinin daha uygun olduğu saptanmalıdır. Oldukça geniş bir güç bölgesinde (0.1kW-1MW) tasarlanabilecek olan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması aşamasında başlıca üç soruya cevap aranır. Bunlar: (i) Çevreden ne kadarlık bir enerji sağlanabilir?, (ii) Toplanan enerji nerede ve hangi amaç için kullanılır? (iii) Bu enerjinin maliyeti ve diğer enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında ekonomikliliği nedir? İlk iki sorunun yanıtı her bir yenilenebilir enerji kaynağı incelenirken verilmeye çalışılacaktır. Üçüncü soru, uygulama esnasında her zaman sorun olmuştur [Twidell, 1990]. Dünyada enerji tüketiminin sürekli büyüdüğü gözlenmektedir. Ekonomik yönden işletilebilir olup olmadıkları dikkate alınmaksızın teknolojik araçlarla yararlanılabilir duruma getirilebilen doğadaki enerji kaynaklarının tümü ''enerji varlıkları'' olarak belirtilebilir. Bu varlıkların bir bölümü, ekonomik yönden işletilebilir durumda ya da ileride ekonomik olarak değerlendirilebileceği bilinen veya beklenen tükenebilir enerji kaynaklarıdır. Bunların diğer bir bölümü de, yine ekonomik yönden işletilebilir 30 durumda olan ve sürekli yenilenebilen doğal enerji kaynaklarıdır. Tükenebilir enerjilere ''stok enerjiler'', yenilenebilir enerjilere ''akım enerjileri'' de denilmektedir. Katı yakıtlar, petrol, doğal gaz ve nükleer enerjiler tükenebilir enerjileri oluştururlar. Hidrolik enerji, yeni enerjiler ve ticari olmayan enerjilerin tamamı yenilenebilir enerjileri oluştururlar. Bunlardan hidrolik ve yeni enerjilerin oluşturduğu gruba modern enerjiler de denmektedir. Hidrolik enerji, uzun yıllardan beri ihtiyaç duyulan enerjinin büyük bir kısmını karşıladığı için konvansiyonel enerji olarak ta kabul edilmektedir [Yücel, 19929]. Şekil 1.1'de yenilenebilir ve tükenebilir enerji sistemlerindeki enerji akış şeması verilmiştir. Burada ABC hattı doğal enerji akışını DEF hattı ise faydalanılan enerji akışını göstermektedir [Twidell, 1990]. Tablo 1.1'de ise sonlu enerji ile yenilenebilir enerji değişik şekillerde karşılaştırılmıştır. Şekil 1.1 Yenilenebilir ve Sonlu Enerji akışı ve faydalanma şekli 31 Tablo 1.1 Yenilenebilir ve Sonlu enerji sistemlerinin karşılaştırılması[Twidell, 1999] Yenilenebilir enerji kaynağı Örnekler Kaynak Normal durum Başlangıç yoğunluğu Kaynak ömrü Kaynağın fiyatı Ekipman fiyatı Değişim ve kontrol Kullanım yeri Sonlu enerji kaynağı Rüzgar, güneş, biyokütle, gel git, hidroelektrik Kömür, petrol, doğal gaz Doğal çevreden Konsantre kaynaklardan Sürekli enerji akışı Statik enerji deposundan Düşük yoğunluk, yayılmış <300W/m2 >100kW/m2 Sonsuz Bedava Sonlu Gittikçe >0.1$/kWh Orta, 500$/kW Yüksek, 2000$/kW artıyor Düzensiz, geri besleme sistemi ile yük kontrolü Sabit, geri besleme kontrolü ile kaynağın ayarlanması Kent ve küçük yerleşim Büyük yerleşim yeri, uluslar arası Boyut Küçük ölçekli Büyük ölçekli Çevre Kırsal ve endüstrileşmemiş bölgeler Şehir ve endüstri Bağımlılık Kendi kendine yeter Sistem dış girdilere bağlı Emniyet İşletme anında yerel tehlike olabilir Hata durumunda ciddi tehlike Kirlilik ve Genellikle düşük çevresel zarar Özellikle hava ve suda çevresel etki çevresel kirlilik mümkün Estetik Genellikle kabul edilir düzeyde Küçük yapılar kabul edilir düzeyde büyük yapılar çirkin Enerjinin herhangi bir değişim ya da dönüşüm uygulanmamış biçimi ''birincil enerji'' olarak tanımlanır. Uluslar arası literatürde birincil kaynaklar aşağıdaki şekilde sınıflara ayrılır: (i)katı yakıtlar (kömür, linyit...), (ii) petrol (petrol ürünleri), (iii) doğal gaz, (iv) hidrolik enerji, (v) nükleer enerji, (vi) yeni enerjiler (güneş, rüzgar, jeotermal, biyogaz, dalga ...), (vii) ticari olmayan enerjiler, biyoyakıt (odun, odun atığı, şehir çöpleri, bitki ve hayvan atıkları, etanol, biyodizel). Birincil enerjinin dönüştürülmesi sonucu elde edilen enerji çeşidi ikincil enerji olarak tanımlanmaktadır. İkincil enerjinin en önemli ve en çok kullanılan türü elektrik enerjisidir. Dünyada tükenebilir enerji kaynaklarının artan bir tempoda kullanılması karşısında bir gün biteceği düşünülmektedir. Bu konuyla ilgili değişik tahminlerin birleştiği nokta; petrol, doğal gaz ve uranyumun gelecek yüzyılın sonlarına doğru tükeneceği üzerinedir. Doğanın bu stokları oluşturmak için milyonlarca yıl geçirmesine karşılık insanoğlu bunları birkaç yüzyılda kullanıp bitirmiş olacaktır. Bu durumda geriye kömürün dışında 32 yenilenebilir enerji kaynakları kalacaktır[Yücel, 1992]. Endüstri öncesi toplumların gelişmesi odun, rüzgar ve hayvan gücü gibi geleneksel denilen bazı enerjilere dayanmıştır. Bugünün gelişmiş ülkelerinin enerji tüketimlerinin % 80'ninden fazlası 15. yüzyılda odun ile insan ve hayvan enerjisinden oluşuyordu. Endüstri devrimi bunların marjinalleşmesine katkıda bulunmuştur. Bu tür enerjiler, kalkınmakta olan bazı ülkelerin tüketiminde yine başlıca payı almaktadır. ''Yeni'' olarak adlandırılan enerjilerin ortak özelliği, bunların yararlı enerjiye dönüştürdükleri doğal birinci kaynağın ''yenilenebilir'' özellikte olmasıdır. Kullanılabilir enerji başlıca 5 farklı kaynağa dayanır. Bunlar: (i) Güneş, (ii) Güneş, ay ve dünyanın hareket ve çekim kuvveti, (iii) Yer yüzündeki kimyasal reaksiyonlar, soğumadan ve radyoaktif parçalanmadan jeotermal enerji, (iv) Dünyadaki nükleer reaksiyonlardan, (v) Mineral kaynaklardaki kimyasal reaksiyonlardan. Yenilenebilir enerji i,ii,iii nolu kaynaklardan, sonlu enerji ise i (fosil yakıtlar), iii (sıcak kayalar), iv ve v nolu kaynaklardan sağlanır. Ayrıca şu şekilde de bir sınıflandırmaya gidilebilir: (i) Bir ısı yenilenmesinden türeyen enerjiler, (ii) Jeotermal, güneş enerjisi ve denizlerin yüzeyi ile dibinin sıcaklık farkından oluşan okyanusların ısıl gücü, (iii) Bir hareket yenilenmesinden türeyen enerjiler, rüzgar enerjisi, hidrolik enerji, gelgit enerjisi, dalgalar ve akıntılar enerjisi, (iv) Bir madde yenilenmesinden türeyen enerjiler, biyo yakıt, yani fotosentez yöntemiyle türeyen bitkisel maddelerden elde edilen enerjiler. Sonlu enerji çok daha kolay bir şekilde merkezi olarak toplanmasına karşılık dağıtım sistemi pahalıdır. Buna karşılık yenilenebilir enerjinin geniş bölgelerden toplanması daha kolay olmasına karşılık yoğunlaştırılması zordur. Bu nedenle bu enerji kırsal bölgelerde daha fazla uygulama alanı bulmuştur. 1.2 Çevresel enerji Dünya üzerindeki yenilenebilir enerji kaynaklarına ait akış şeması Şekil 1.2.' de verilmiştir. Güneşten gelen radyasyonun yeryüzüne birim zamanda düşen kısmı 1.2X1017 W'dır. Dünya nufusu 4X109 olarak kabul edildiğinde kişi başına düşen güneşten gelen güç miktarı ise yaklaşık 30MW olacaktır. Bu güç miktarı ise çok büyük 10 tane dizel jeneratörün gücüne eşit olacaktır. Güneşten gelen enerji yoğunluğu ise ortalama 1kW/m2'dir. Dünyanın her bölgesi aynı oranda yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanamamaktadır. Örneğin Danimarka, hidrolik güç bakımından fakir olmasına karşılık rüzgar enerjisi potansiyeli bakımından çok zengindir. Norveç ise hidrolik güç potansiyeli bakımından zengindir. Tropikal yağmur ormanlarının olduğu bölgelerde biyo yakıt enerjisi daha fazladır[Twidell, 1990]. 33 Ülkemiz ise yenilenebilir enerji kaynakları açısından oldukça zengin olup; güneş, jeotermal, hidrolik, rüzgar, biyoyakıt enerjisinden faydalanılmaktadır. Şekil 1.2 Yeryüzüne doğru olan yenilenebilir enerji akış şeması, Boyut terawatt (1012 W) Hidroelektrik enerji 2.1 Giriş Hemen hemen bütün enerji kaynakları, güneş ışınımının maddeler üzerindeki fiziksel ve kimyasal tesirinden meydana gelmektedir. Hidrolik enerji de güneş ışınımından dolaylı olarak oluşan bir enerji kaynağı olup hidrolik çevrimi Şekil 2.1'de verilmiştir. Deniz, göl veya nehirlerdeki sular güneş enerjisi ile buharlaşmakta, oluşan su buharı rüzgarın etkisiyle de sürüklenerek dağların yamaçlarında yağmur veya kar halinde yer yüzüne ulaşmakta ve nehirleri beslemektedir. Böylelikle hidrolik enerji kendini sürekli yenileyen bir enerji kaynağı olmaktadır. Enerji üretimi ise suyun potansiyel enerjisinin kinetik enerjiye dönüştürülmesi ile sağlanmaktadır. 34 Şekil 2.1. Hidrolik çevrim [Harvey, 1998] Hidroelektrik sistemlerde su, bir cebri boru veya kanal yardımıyla yüksek bir yerden alınarak türbine verilmektedir. Türbinlere bağlı jeneratörlerin dönmesi ile de elektrik enerjisi üretilmektedir (Şekil 2.2). Üretilen elektrik enerjisi direkt olarak kullanılabildiği gibi bataryalarda da depo edilebilir. Türbinden elde edilen güç, suyun düşü (üst ve alt kodlar arasındaki düşey mesafe) ve debisine (türbinlere birim zamanda verilen su miktarı) bağlıdır (Şekil 2.3) 35 Şekil 2.2 Hidroelektrik sistemlerin çalışması Şekil 2.3 Düşü 2.2 Hidroelektrik sistemlerin sınıflandırılması ve tasarımı Hidroelektrik güç sistemleri şu şekilde sınıflandırılmaktadır: a) Büyük ölçekli hidroelektrik sistemler: Bu sistemlerinin gücü 50 MW’ın üzerindedir. 1 MW’ lık bir güç yaklaşık 20.000 elektrik lambasının ihtiyacı olan enerjiyi üretir. 1 KW' lık bir güç ise 4 lambalı (50 watlık) 5 evin aydınlanma için gerekli olan enerjiyi verir. 50 MW’lık bir güç 250.000 evin ışık ihtiyacı olan enerjiyi verir. b) Küçük ölçekli hidroelektrik sistemler: Güç bölgeleri 10-50 MW arasındadır. c) Mini ölçekli hidroelektrik sistemler: Bu sistemler ulusal enerji şebekesine daha az katkıda bulunurlar. Bunlar 101 kW ile 10.000 kW güç bölgesinde çalışırlar. d) Mikro ölçekli hidroelektrik sistemler: Mikro hidroelektrik sistemler çok daha küçük ölçekte olurlar ve ulusal enerji şebekesine elektrik enerjisi sağlamazlar. Ana yerleşim bölgelerinden uzaktaki alanlarda yani ulusal enerji şebekesinin ulaşmadığı bölgelerde kullanılır. Güçleri, genellikle sadece bir yerleşim yeri veya çiftlik için yeterlidir. Güç bölgeleri, 200 wattan başlayarak bir grup evin veya çiftliğin yeterli aydınlanma, pişirme ve ısınma enerjisini sağlayacak şekilde 100 kW’a kadar çıkabilir. Küçük 36 fabrikaların veya balık çiftliklerinin enerji ihtiyacını karşılayacak şekilde ve ulusal enerji sisteminin bir parçası olmaksızın çalışabilir. Mikro hidroelektrik sistemlerde elektrik enerjisi üretimi de şart değildir. Bir çok uygulamada, mekanik enerjisinden de yararlanılarak değirmen sistemlerinde kullanılabilir. Her iki kullanım için de sistem özellikleri aynıdır . Enerji literatüründe büyük hidroelektrik enerji, klasik yenilenebilir kaynak grubunda ele alınırken; mini ve mikro hidroelektrik enerji yeni ve yenilenebilir kaynaklar grubuna sokulmaktadır. 101kW-10 MW arasındaki hidroelektrik olanaklar mini hidroelektrik enerji olarak varsayılmaktadır. Mini hidroelektrik sistemler çeşitli şekillerde sınıflandırılmaktadır. Düşüye göre yapılan sınıflandırmada; 2-20 m alçak düşü, 20-150m orta düşü ve 150 m ve yukarısı yüksek düşü olarak kabul edilir. Genellikle düşük birim maliyeti nedeniyle orta ve yüksek düşülü sistemlerin yapılması tercih edilir. Düşü, debi ve güç arasındaki bağıntı şu şekilde verilmektedir: Pe = ρ g Q Ho ηtürbin (1) Burada Pe türbin milinden alınan gücü (W), ρ suyun yoğunluğunu (1.000 kg/m3), g yerçekimi ivmesini (9.81 m/s2), Ho net düşüyü (giriş ağzı ile kuyruk suyu arasındaki kot farkından toplam düşü kayıplarını çıkartarak bulunur, m), Q türbine gelen debiyi (m3/s), ηg genel verimi göstermektedir. Bir hidroelektrik güç sisteminde toplam güç çıkışı ve kayıpların oluşumu şu şekilde gösterilmiştir (Şekil 2.4): Güç çıkışı = ηinşaat Xηcebri boru X ηtürbin X ηjeneratör X ηtransformatör X ηnakil hattı X Güç girişi (2) 37 Şekil 2.4 Bir hidroelektrik santralde toplam güç çıkışı ve kayıplar Diğer bir sınıflandırma suyun depolanması ile ilgilidir. Mini hidroelektrik sistemler depolamalı veya depolamasız olarak yapılmaktadır. Şekil 2.5’de, depolamasız ve şekil 2.6’da ise depolamalı bir sistem görülmektedir. Depolamasız sistem ‘’run of the river’’ olarak adlandırılmaktadır. Burada bir saptırma savağı ve su alma ağzından kanala verilen su, bir yükleme odasına kadar getirilmektedir. Yükleme odasındaki fazla su için bir taşkın savağı bulunmaktadır. Su bir cebri borudan geçirilerek türbine verilmekte ve burada hidrolik enerjisi mekanik enerjiye çevrilmektedir. Depolamalı sistemde ise suyun önü bir baraj sistemi ile kapatılmaktadır. Bu sistemin avantajı yağışlı sezonda su barajda tutulur. Böylece yağışsız ve kuru sezonda da gerekli potansiyel enerji sağlanmış olur. Depolamasız sistemde suyun önü kesilmez, sadece bir kısmı bir kanal içerisine alınır. Mikro hidroelektrik sistemler genellikle depolamasız sistemlerdir. Bu sistemlerin en büyük dezavantajı kurak sezonda türbin için gerekli debiyi verememeleridir. En büyük avantajı ise lokal olarak çok düşük bir maliyetle yapılabilmeleridir. Akarsu yatağına en az zararı verirler. Yükleme odasında günlük bazda yapılan ayarlarla da su debisi kontrol edilir. Depolamalı sistemler daha karmaşık ve pahalıdırlar. Zaman içerisinde çeşitli problemlerle karşılaşırlar. Örneğin baraj gölü belirli bir zamandan sonra kum ve kil ile dolmaktadır. Böyle durumda boşaltılması hem pahalı hem de çok zordur. Bir süre sonra baraj ömrünü tamamlar. 38 Şekil 2.5 Depolamasız hidroelektrik güç sistemi Şekil 2.6 Depolamalı hidroelektrik güç sistemi Şekil 2.7'de depolamasız, Şekil 2.8'de ise depolamalı bir hidrolik güç sisteminin ana bileşenleri görülmektedir. Burada; set savağı suyu akarsu yatağından bir açık kanala yönlendirir; çökeltme havuzu su içerisindeki kum parçalarının çökmesini sağlar; kanal, suyu yamaç boyunca ve gerekli yerlerde su kemerlerinden geçirerek yükleme odasına kadar getirir. Burada bir cebri boru içinden geçen su türbin veya bir çarka ulaşır. Türbin mili mekanik bir aletle birleştirilir. Bu bir jeneratör veya bir değirmen olabilir. 39 Şekil 2.7 Depolamasız bir hidroelektrik santralin kısımları Şekil 2.8 Depolamalı bir hidroelektrik santralin kısımları Mini hidroelektrik sistemlerin diğer bir sınıflandırma şekli de enerjinin kullanım tarzı ile ilgilidir. Burada üretilen elektrik ya merkezi enerji sistemini besler ya da bağımsız olarak küçük kasabaların ve yerleşim bölgelerinin enerji ihtiyacını karşılar. Bir hidroelektrik sistemin tasarımı 4 aşamada gerçekleşir. Bunlar: a) Kapasite ve talep araştırması: Bir enerjiye talep olduğunda ‘’ne kadarlık bir enerji hangi amaç için isteniyor’’ sorusunun cevabı doğru olarak belirlenmelidir. Bu 40 aşamada ayrıca kullanıcıların kullanım kapasitelerinin de belirlenmesi önemli olmaktadır. Genelde mikro hidrolik sistemler, insanların çoğunun karmaşık makinaları kullanmadığı kırsal bölgeler için planlanmaktadır. Bu sistemin tasarımı ve yapımı için gerekli paranın büyük bir kısmı o yöre insanları tarafından karşılanacaktır. b) Hidrolojik çalışma ve mevki araştırması: Bu aşamada sistemin kurulacağı yerin hidrolik potansiyeli belirlenir. Akarsuyun debisinin yıl boyunca değişimi ortaya konur, su alma ağzının en verimli ve en ucuz olarak alınacağı yer tespit edilir. Ayrıca, dönem dönem ne kadarlık bir güç sağlanabileceği de tespit edilir. Çalışma suyun farklı kullanılması (örneğin zirai sulama amaçlı) durumunu da dikkate alır. c) Ön fizibilite çalışması: Bu bir hızlı fiyat belirleme çalışmasıdır. Hidrolik sistem tasarımcısı talebi karşılayacak şekilde genellikle 3 veya dört farklı seçenek ortaya koyar. Bunların ilk ikisi iki farklı hidrolik sistemin yerleştirilmesi, üçüncüsü merkezi enerji nakil sisteminin geliştirilmesi ve sonuncusu ise ihtiyacı karşılayacak şekilde bir dizel jeneratör kullanılması olabilir. Ön fizibilite çalışması, bu seçenekleri karşılaştırır ve bunların önemli özellilerini ortaya koyar. Tüketici, bu seçenekleri ve bunların karşılaştırmalı fiyatlarını bilmek isteyecektir. Ön fizibilite çalışmasında ayrıca, enerji talep çalışmalarının hidrolojik çalışma sonuçları ile karşılaştırması da yapılır. Talep çalışması bize güç değişimleri karşısında talebin nasıl olacağını hidroloji çalışması bize güç değişimlerinin nasıl sağlanacağı hakkında bilgi verir. Ayrıca bu bölümde farklı sorulara da cevaplar verilir. d)Tam fizibilite çalışması: Ön fizibilite çalışmasında hidrolik sistemin uygulanabilir olduğu belirlenirse; mühendislik hesapları, maliyet hesapları detaylı olarak tam fizibilite çalışmasında yapılır. Ayrıca, ekonomik kriterleri kullanarak yapılan parasal çalışmalar, işletme ve bakım masraflarının hesaplanması da önemlidir. Fizibilite çalışmasında altın kural şu şekildedir: çalıştırma ve bakım (O + M) birinci, ekonomi ve tesis faktörü ikinci, mühendislik tasarımı ise üçüncü önceliktedir. Fizibilite çalışmasında ayrıca kontratlarla detaylı olarak kullanma tarifesi de belirtilmelidir. Yani kurulacak sistemden üretilecek elektrik enerjisi hem ev elektriğinde ve hem de güç kaynağı olarak sanayide kullanılacaksa bu koşullar kontratta ayrıntılı olarak belirtilmelidir. Aynı yolla, farklı amaçlı kullanıcılar için öncelik hakları (sulama ve hidrolik güç) ortaya net bir şekilde konmalıdır. Bu durum daha sonra ortaya çıkabilecek zorlukları çözmeye yardım edecektir 2.3 Hidroelektrik sistemlerde kullanılan türbinler ve regülasyon Türbinler, akışkanın hidrolik enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinalardır. Herhangi bir yer için en uygun türbin tipinin seçimi, yerin karakteristik özelliklerine bağlıdır. Ayrıca, düşü ve debi değerine bağlı olarak hesaplanan özgül hız değerlerine bakılarak da türbin tipi belirlenir. Bir türbinin ns özgül hızı, o türbine benzer olan ve 41 aynı cins akışkanla 1 m net düşü altında çalışıp en iyi verimle milinden 1 BG güç veren türbinin dakikadaki devir sayısı olarak tanımlanır. Tablo 2.1'de özgül hıza bağlı olarak türbin tipleri görülmektedir. (Özgül hız bağıntısı şu şekilde verilmektedir ns = n Pe 0..5 / Ho 1.25 ) Tablo 2.1 Özgül hıza göre türbinlerin sınıflandırılması Türbin tipi Özgül hız (ns) Pelton 12-30 Turgo 20-70 Cross-flow 20-80 Francis 80-400 Uskur veya Kaplan 340-1000 Türbin tipi seçiminde türbin veya jeneratörün hızı da önemlidir. Diğer bir kriter ise türbinin kısmi debi koşullarında çalıştırılıp çalıştırılmayacağıdır. Tüm türbinler, bir güç-hız ve verim-hız karakteristiğine sahiptir. Türbin tarafından döndürülen jeneratörler, tipik bir türbinin optimum hızından daha yüksek bir devirde dönerler. Bu bağlantı kayış kasnak, dişli mekanizması veya bir kavrama yardımıyla sağlanır. Burada hız oranının minimum olması tercih edilir. Bu durumda bağlantı daha kolay ve maliyet daha düşüktür. Kural olarak 3:1 oranından kaçınmak gerekir en azından 2.5:1 oranı veya altı tercih edilmelidir. Şayet 1500 d/d ile dönen bir jeneratör varsa seçilecek türbinin hızı en az 500 d/d veya üzeri olmalıdır. Türbin hızının jeneratör hızında olması durumunda jeneratör direkt olarak türbin miline bir kavrama ile bağlanır. Üreticiler bunu tavsiye ederler. Genellikle, mikro türbin yerleştirmelerinde üniteleri ayrı olarak satın almak daha ucuzdur ve daha sonra bağlantı sistemiyle onlar yerlerine monte edilirler. Hidroelektrik sistemlerde kullanılan türbin tipleri yüksek, orta ve alçak düşü makineleri olarak sınıflandırılır. Şekil 2.9'da 50kW-2000MW güç bölgesi için, Şekil 2.10'da ise 1kW-1000kW güç bölgesi için farklı düşü ve debi bölgelerinde hidroelektrik santrallerde kullanılan türbinler gösterilmiştir. 42 Şekil 2.9 50kW-2000MW güç bölgelerinde kullanılan türbinler Şekil 2.10 1kW-1000kW güç bölgelerinde kullanılan türbinler Türbinler çalışma prensibine göre de sınıflandırılırlar. Aksiyon türbinlerinde türbin giriş ve çıkışında basınçlar atmosfer basıncına eşittir. Burada suyun kinetik enerjisinden faydalanılır. Reaksiyon türbinlerinde ise çark giriş ve çıkışı arasında basınç farkı vardır. Tablo 2.2'de aksiyon ve reaksiyon türbinleri düşü bölgelerine göre verilmiştir. 43 Tablo 2.2. Aksiyon ve Reaksiyon Türbinlerinin Sınıflandırılması Türbin çarkı Yüksek Aksiyon (impulse) Pelton Turgo Çok püskürtücülü Pelton Reaksiyon Düşü Orta Alçak Cross flow Cross flow Turgo Çok püskürtücülü Pelton Francis Uskur Türbin pompa Kaplan Aksiyon türbinleri reaksiyon türbinlerinden daha ucuzdur. Micro hidrolik sistemler için tasarlanan türbinler değişken debiler için uyum sağlayacak sistemlere sahip değildir. Büyük makinelerde bu ayar mekanizmaları mevcuttur. Örneğin çok püskürtücülü Pelton türbinlerinde bazı püskürtücü girişleri kapatılarak debi ayarı yapılır. Cross flow veya Francis türbinlerinde ayar kanatları vardır. Tek püskürtücülü Pelton türbininde ise iğne hareketiyle püskürtücünün kesiti değiştirilerek debi ve güç ayarı yapılır. Şekil 2.11’de kısmi yüklerde türbinlerin verim eğrilerinin değişimi verilmiştir. Pelton ve Cross flow türbinleri dizayn değerlerinin dışında farklı değerlerde de çalışmaları durumunda oldukça yüksek verim vermektedirler. Francis türbinlerinde kısmi yükler karşısında verim düşmektedir. Hatta Uskur türbinlerinde, tasarım debisinin %80 ve üstü haricindeki debi bölgesinde çok düşük verim elde edilir. Francis türbinleri büyük hidrolik sistemlerde oldukça popüler bir türbin olmasına karşılık karmaşık bir yapıya sahip olmaları ve kısmi yüklerdeki davranışı nedeniyle mikro hidrolik sistemlerde fazla kullanılmazlar. 44 Şekil 2.11 Türbinlerin kısmi yüklerde çalışması durumunda verim eğrileri Büyük hidroelektrik sistemlerde 150 m brüt düşünün üzerinde Pelton türbini uygulaması yapılmaktadır. Mikro hidrolik sistemlerde daha alçak düşülerde de bu türbin kullanılabilir. Örneğin yüksek hızda dönmekte olan küçük çaplı bir Pelton türbini, 1 kW güç üretmek için 20m’nin altında düşülerde kullanılabilir. Yüksek güç ve düşük debide hız çok azalır bu da türbin boyutunu artırır. Şekil 2.12’de bir Pelton türbini görülmektedir. Güç artıkça bu tip türbinlerin çarkının çapı büyür ve türbin yavaş döner. Eğer çarkın çapı ve düşük hızı bir problem olarak kabul edilmezse Pelton türbini rahatlıkla alçak düşülerde kullanılabilir. Alçak düşü ve küçük güç ünitelerinde kullanılacak olan türbinlerin, merkezi sistemden bağımsız yerel kuruluşlarca işletilmesi nedeniyle bakım ve onarımlarının kolaylıkla yapılabilir olması çok önem taşımaktadır. Ayrıca, tesis aksamının da piyasadan kolay temin edilebilen parçalardan oluşması gereklidir. Bu açıdan Cross-flow türbinleri bu çalışma bölgelerinde çok avantajlıdır. Konstruksiyonları diğer bütün türbin tiplerine göre son derece basittir. Bu nedenle türbin, ucuz olarak küçük atölyelerde kısıtlı olanaklarla imal edilebilir. Türbin başlıca; giriş ağzı , çark ve gövdeden oluşmaktadır. Şekil 2.13'de bir cross-flow türbini görülmektedir. 45 Şekil 2.12 Pelton türbini Şekil 2.13 Cross-flow türbini Giriş ağzı kaynak tasarımı, beton veya çok düşük debilerde tahtadan imal edilebilir. Döküm veya özel malzemeye gerek yoktur. Burada en önemli husus, giriş ağzının iyi bir yönlendirici olarak yapılmasıdır. Bunun için giriş ağzının her iki yan cidarı çark çevresel hızıyla 16 derece açı yapacak şekilde dizayn edilir. Ayar mekanizması olarak bir kolla kumanda edilebilen klape, kanat veya sürgü kullanılır. Bu türbinlerinde giriş ağzı içerisine yerleştirilmiş uygun kesitli bir ayar kanadı yardımıyla debinin tamamen de kesilmesi sağlanır (Şekil 2.13). Böylece, ayrıca bir giriş vanasına da gerek kalmaz. Ekonomik ve emniyetli bir otomatik kontrol küçük tesislerde türbin tipinden ayrı, başlı başına bir sorundur. Debinin otomatik kontrolü 46 pahalı bir çözüm olduğu için küçük santrallerde gittikçe daha az kullanılmaktadır. Çark, kaynak konstruksiyonu olarak yapılmaktadır. Çark içerisinden boydan boya mil geçirilebildiği gibi milli flanşlara da çarkı bağlamak mümkündür. Kanatlar, diğer türbin tiplerinde olduğu gibi dönük değil, silindirik borulardan kesilerek veya presle şekillendirilerek yapılır. Reaksiyon türbinleri aynı düşü ve debi değerinde aksiyon türbinlerinden daha hızlı döner. Burada kullanılan türbinler Francis, Uskur ya da Kaplan türbinleridir. Şekil 2.14’de bir Kaplan türbini Şekil 2.15’de ise bir Francis türbini görülmektedir. Kaplan türbinleri Francis türbinlerine nazaran daha hızlı dönerler. Bu büyük avantaj nedeniyle Jeneratöre arada kayış kasnak veya dişli olmadan da direkt bağlanabilir, Francis türbinleri orta düşüşler için Kaplan türbinleri ise alçak düşüler için daha ekonomiktir. Yapımları aksiyon türbinlerine göre daha zordur, Bu nedenle mikro hidrolik sistemlerde daha az kullanılmaktadır. Ayrıca bu türbinlerde kavitasyon tehlikesi de vardır. Değişken debilerde de düşük verim verirler. Şekil 2.14 Kaplan türbini 47 Şekil 2.15 Francis türbini Regülatörler türbin hızını kontrol etmek için kullanılırlar. Son yıllara kadar hidrolik sistemlerde kullanılan bütün regülatörler, türbine giden suyu ayarlayarak güç değişimi sağlamaktaydı. Regülatörün görevi ister mekanik ister elektriksel olsun türbin milindeki hızı ayarlamaktır. Daha fazla güce ihtiyaç duyulduğunda türbin girişine daha fazla su verilir, benzer olarak daha az güce ihtiyaç duyulduğunda ise türbin girişi kısılarak daha az miktarda suyun türbine girişi sağlanır. Kırsal bir bölgede elektrik üretiliyorsa senkronize jeneratör kullanılır. Jeneratörün frekansı ise jeneratörün hızına ve kutup sayısına bağlıdır. Örneğin 4 kutuplu bir jeneratör 50 Hz için 1500 d/d ile dönmelidir. Bu hızın artma veya azalması durumunda üretilen frekans da artar veya azalır. Hidrolik sistemde kullanılan regülatörler İki grupta incelenir. Bunlar geleneksel ve geleneksel olmayan regülatörlerdir. Geleneksel olanlar, yüksek standartta olup tüm sistem boyutlarında kullanılırlar. Karmaşık ve pahalıdırlar. Son zamanlarda küçük sistemler için daha fazla yük kontrol regülatörleri kullanılmaya başlanmıştır. Bunların yapısı çok daha basittir. Maliyetin düşük olması istenen bütün mikro hidrolik sistemlerde yük kontrol regülatörleri tercih edilir. Yük kontrolü bir elektronik cihaz olup kullanıcı yükünün değişmesinde dahi jeneratörde sabit bir elektrik yükü sağlar. Türbinde debi akış kontrol cihazına ve regülatör sistemine ihtiyaç duymaz. Türbin debisi sürekli aynı sabit değerinde tutulur. Yük kontrolü jeneratörde daima sabit bir elektrik yükünü garanti eder. Türbin çıkış gücü sabittir dolayısıyla hız da sabit olacaktır. Yük kontrolü, ana yük tarafından istenmeyen ikinci bir safra yükü sağlayarak sabit bir jeneratör çıkışı sağlar. Çalışma prensibi ise kısaca şu şekildedir: Daha az yüke ihtiyaç olduğu anda türbin hızı ve frekans düşmeye başlayacaktır, bu durum yük kontrolü tarafından algılanacak ve ilave safra yükünü sağlamak üzere dirençler devreye girecektir, böylece kullanıcı yükünün değişmesi durumunda da jeneratördeki toplam yük sabit kalacaktır. Yük kontrolü normalde 48 frekansı veya voltajı sürekli ölçerek türbin hızını kontrol edecektir. Bu sistemin en büyük avantajı ucuzluğu ve basitliğidir. Tamir ve hareketli parça gerektirmez. 2.4 Türkiye'nin hidroelektrik potansiyeli Türkiye'nin yağış rejimi zaman ve yer bakımından oldukça düzensiz ve dengesizdir. Meteorolojik koşullara bağlı olarak her yıl önemli ölçüde değişim gösterme niteliğine sahiptir. Bu durumda hidroelektrik üretimin de yıllara göre farklılıklar göstermesi kaçınılmazdır. Uzun yılları kapsayan meteorolojik gözlemlere göre yılda ortalama 643 mm olan yağışlar 501 milyar m3 suya karşılık gelmektedir. Bu ortalama değerin ancak 186 m3 'nün çeşitli büyüklükteki akarsular aracılığı ile denizlere ve kapalı havzalardaki göllere doğru akışa geçtiği kabul edilmektedir. Akarsularımızın düzenlenmesi ve maksimum faydanın sağlanabilmesi için bugünkü etütlere göre 702 adet barajın inşa edilmesi gerekmektedir [TÜBİTAK-TTGV]. Topoğrafyası ve morfolojik yapısı göz önüne alındığında ülkemiz hem düşü hem de debi açısından şanslı sayılabilecek ülkeler arasında yer almaktadır. Türkiye'nin kaynak varlığı ve mevcut durumuna göz atmadan önce teknik yapılabilirlilik ve ekonomik yapılabilirlilik kavramlarının açıklamasını yapmak gerekecektir. Teknik yapılabilirlilik: Teknik açıdan söz konusu projenin gerçekleşmesine engel oluşturacak düzeyde herhangi bir mühendislik sorununun olmaması halidir. Ekonomik yapılabilirlilik: Bir projenin toplam yıllık gelirinin toplam yıllık giderinden fazla olması halidir. Türkiye'deki hidroelektrik kaynak varlığını üç kısımda incelemek gerekir. [ ]. Brüt potansiyel: Ülkemizde mevcut hidroelektrik kaynakların üretim potansiyelinin teknik ve ekonomik yapılabilirlilik koşulları göz önüne alınmadan teorik olarak mevcut tüm düşü ve ortalama debi kullanılarak hesaplanmasıdır. Türkiye'nin brüt hidroelektrik enerji potansiyeli 430 milyar kWh civarındadır. Teknik potansiyel: Ekonomik yapılır olması koşulu göz önüne alınmadan, ülkenin hidroelektrik kaynaklarından ''Teknik yapılabilir'' olanlarının tümünün değerlendirilmesi durumunda ulaşılacak üretim miktarıdır. Ülkemizin teknik hidroelektrik potansiyeli 215 milyar kWh mertebesindedir. Teknik ve ekonomik potansiyel : Ülkenin brüt hidroelektrik potansiyelinin hem ''teknik'' hem de ''ekonomik'' olarak değerlendirilebilir bölümüdür. Yıldan yıla farklılıklar göstermekle birlikte bugün için Türkiye'nin teknik ve ekonomik hidroelektrik potansiyeli 124.5 milyar kWh ' dır. 1997 yılı başı itibarıyla mevcut duruma bir göz atıldığında Türkiye'de 124.5 milyar kWh olarak bulunmuş olan teknik ve ekonomik potansiyelin şimdiye kadar sadece 36.341 milyar kWh'lık bölümünün kullanıldığı görülmektedir. Gelişmiş olan ülkelerin 49 bir çoğunda bu potansiyelin büyük bir bölümünün değerlendirilmiş olmasına rağmen Türkiye'de işletmeye açılmış tesislerle söz konusu potansiyelin ancak % 29'luk bölümü hizmete sunulmuş durumdadır. Ülkemizde gerçekleşme oranının istenen düzeyde olmamasının başlıca nedeni olarak, hidroelektrik santral projelerinin ilk yatırım maliyetlerinin diğer kaynaklarla kıyaslandığında yüksek olmasıdır. Dünyada hidroelektrik üretim 1925 yılında 78.7 TWh iken, 2000 yılında 4000 TWh'e ulaşacaktır. 2000 yılında hidroelektrik üretimin toplam enerji üretimi ve birincil enerji üretimindeki payının sırasıyla %14 ve %5.5 olacağı tahmin edilmektedir. Hidroelektrik enerji için ilk yatırım maliyetinin yüksek oluşu ve inşa süresinin uzunluğu olumsuz faktörler olarak ileri sürülmektedir. 1995 yılı sonu itibarıyla tesislerin birim yatırım maliyetleri şu şekildedir : Doğal gaz santralleri 680 $/kW Linyit santralleri 1600 $/kW İthal kömür santralleri 1450 $/kW Hidrolik santraller 1200 $/kW Nükleer santraller 1800-2700 $/kW Görüldüğü gibi sadece doğal gaz santralleri hidroelektrik santral maliyetinden daha ucuzdur. Hidroelektrik santrallerin inşa süreleri uzun olmasına karşılık ekonomik ömürleri termik santrallerden daha uzundur. Kömür yakıtlı santraller ile kombine çevrimli santrallerin ömürleri 25 yıl iken baraj ve hidroelektrik santrallerin ekonomik hizmet süresi 40-50 yıldır. Bu değerler fizibilite çalışması değerleridir. Bazı rehabilitasyon çalışmaları ile hidrolik santrallerin ömürleri 75-100 yıla çıkartılabilmektedir. Ayrıca termik santraller doğal kaynakları tüketir. Buna karşılık hidrolik potansiyelin gelişmesi ile barajlarda meydana getirilen yapay göller vasıtasıyla ortamda oluşan buharlaşma havzanın daha fazla yağış almasına yol açmakta diğer bir deyişle kaynak artırıcı olarak işlev görmektedir. Hidroelektrik santrallerin teknik bazda en büyük avantajı diğer santraller kıyasla (özellikle pik saatlerde) çok çabuk devreye girme özelliğidir. Gerçekten bir hidroelektrik santralin ani talep durumunda devreye girmesi için sadece birkaç saniyeye gereksinim varken bu süre termik santraller için birkaç saati almaktadır. Türkiye'nin en fazla kullanılan alternatif enerji kaynağı olmasına rağmen potansiyelin %29 'luk kısmı kullanılmaktadır. Türkiye'nin geliştirilen projelere göre öngörülen ekonomik hidroelektrik potansiyeli 125 milyar kWh/yıl dır. Bu potansiyelin 1997 yılına kadar ancak % 29'u (36 milyar kWh/yıl) üretilebilmiştir. İnşa halindeki 33 adet santralin devreye alınması ile ekonomik potansiyelin %38'i değerlendirilmiş olacaktır. Potansiyelin değerlendirilmemiş %62 lik bölümü en az ön inceleme aşamasında etüdü tamamlanmış 363 hidroelektrik santralin yapımını kapsamaktadır [TÜBİTAK-TTGV]. 50 3. Güneş enerjisi 3.1 Giriş Türkiye güneş kuşağı adı verilen 40o kuzey ve 40o güney enlemleri arasında yer almakta ve güneş enerjisi bakımından orta zenginlikte bir ülke durumundadır. Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresinin yüksek olmasına karşılık düşük ve orta sıcaklık uygulamalarında sınırlı sayıda kullanılmaktadır. Sanayinin toplam enerji ihtiyacının karşılanmasında güneş enerjisinden yalnızca % 0.1 oranında faydalanılmaktadır. Ülkemizde güneş enerjisi uygulamaları ağırlıklı olarak, güneş toplayıcıları vasıtasıyla düşük sıcaklıkta sıcak su ve sıcak hava üretimi ile sınırlı kalmıştır. Güneş enerjisi uygulamaları; sıcak su üretimi, bitkisel ürünlerin soğutulması ve kurutulması, pişirilmesi, deniz suyunun damıtılması, elektrik üretimi, hacim ısıtılması ve soğutulması, sulama suyunun pompalanması, endüstriyel işlem ısısı üretme, fotokimyasal ve fotosentetik çevrimlerin gerçekleştirilmesi olarak sıralanabilir. Güneş enerjisinin üstünlükleri şunlardır: yakıt masrafının olmaması, işletme maliyetinin düşük olması, proses ısısının istenilen sıcaklıkta doğrudan elde edilmesi, enerji kaynağının tükenmez oluşu ve en önemlisi çevreyi kirletmemesidir. Dezavantajları ise; geniş kullanım alanlarına ihtiyaç duyulması, kullanılabilir enerjileri dönüştürme teknolojisinin henüz tam olarak yaygınlaşmaması, ilk yatırım maliyetinin yüksek olması ve gelen enerjinin kesikli ve değişken olmasıdır. Bu dezavantajların ortadan kaldırılması için gerekli teknolojiler üzerinde bilimsel çalışmalar devam etmektedir. 3.2 Güneş enerjisinin ısıl çevrim yöntemi ile toplanması Isıl çevrim yöntemi ile güneş enerjisinden yaralanma, günümüzde en fazla uygulama alanı bulmuş ve dolayısıyla en fazla gelişme göstermiş güneş enerjisi teknolojisidir. Isıl çevrimler sonucunda ulaşılabilen sıcaklık limitleri ve aynı zamanda kullanılan teknolojiler bakımından üç grupta toplamak mümkündür. 3.2.1 Düşük sıcaklık uygulamaları Güneş enerjisinden en basit ve en yaygın yararlanma yöntemi, düzlemsel güneş toplayıcıları yardımıyla gelen güneş enerjisinin su, hava veya herhangi bir akışkana iletilmesidir. Düzlemsel güneş toplayıcıları genel olarak; saydam örtü, güneş ışınımını toplayan yutucu yüzey, yüzeye entegre edilmiş taşıyıcı borular, yalıtım malzemesi ve kasadan ibarettir. Bu tip toplayıcıların verimini arttıran en önemli parametre, güneş ışınlarını ısı enerjisine dönüştüren ve bu ısıyı akışkana aktaran yutucu yüzeydir. Yutucu yüzeyde yapılan seçici yüzeyli kaplama ile toplayıcı veriminde önemli artışlar 51 sağlanmaktadır. Düzlemsel güneş toplayıcıları, güneş ışınımını ısı enerjisine dönüştüren en basit ve en yaygın olarak kullanılan araçlardan birisidir. Şekil 3.1'de farklı tipte tasarlanmış güneş toplayıcıları görülmektedir. Toplayıcı verimi; yutucu yüzey kaplamasına, geometrisine ve yüzey için seçilen malzemenin özelliğine bağlı olarak değişir. Bu yüzeyin imalinde bakır, alüminyum, paslanmaz çelik, saç, plastik gibi malzemeler kullanılır. Yutucu yüzey kaplamalarının başlıca görevi güneş ışınımını mümkün olduğu kadar yutması ve ısıya dönüştürmesidir. Yutucu yüzey kaplaması olarak siyah mat boya ve seçici yüzey kaplamaları kullanılır. Şekil 3.2'de siyah boyalı ve seçici yüzeyli plakada güneş ışınımının yutulması ve yayılması arasındaki fark görülmektedir. Yutucu yüzey siyah mat boya ile boyandığında yüzeyin güneş ışınımını yutma oranı %90-98, uzun dalga boylu ışınımı yayma oranı ise %85-92 arasındadır. Yani yüzey yuttuğu ışınımın büyük kısmını geriye vermektedir. Seçici yüzeyli kaplamalarda temel amaç, kısa dalga boylu ışınımın tamamına yakın kısmının yutulması buna karşılık uzun dalga boylu ışınım yayıcılığının en aza indirilmesidir. Böylece plaka sıcaklığı daha fazla artırılarak akışkana daha fazla ısı iletimi sağlanır. Seçici yüzeyler; sıcaklık yükselmesinde daha az ışınım yayarlar, dolayısıyla toplayıcı verimi yüksektir. Yüksek verimli toplayıcıların imalatında en önemli faktör; toplayıcının temelini oluşturan yutucu plakaların güneşten gelen radyasyonu yutması buna karşılık ısınan yutucu yüzeyin geriye enerjiyi yaymamasıdır. İsviçre standardına göre yutucu plakaların optik özellikleri üç sınıfa ayrılmaktadır. Seçici kaplamalar: 0.0 ≤yayma katsayısı ≤ 0.20, yutma katsayısı> 0.9 Yarı seçici kaplamalar: 0.15 ≤ yayma katsayısı ≤ 0.20, yutma katsayısı > 0.9 Seçici olmayan kaplamalar:0.5 ≤ yayma katsayısı ≤ 1.00, yutma katsayısı > 0.9 Seçici yüzeylerin hazırlanmasında sputering, kimyasal buhar depozisyonu, metal spreyi, kimyasal oksidasyon ve elektroliz gibi çeşitli teknikler kullanılır. Dünyada seçici yüzey kaplaması olarak iki tür kaplama ticari olarak kullanılmaktadır. Alüminyumun anodik oksidasyonu ile oluşturulan pöroz yüzeye nikel oksit ile yapılan renklendirme ve bakır üzerine nikel kaplanmış yüzeye siyah krom ile renklendirmedir. 52 Şekil 3.1 Farklı tiplerde güneş toplayıcıları (a) su dolu bir kap, zemine ısı kaybı fazla (b) su dolu bir kap, zemine ısı kaybı az, (c) siyah lastik, (d) zemin izolasyonlu siyah lastik, (e) izolasyonlu siyah lastik, (f) metal boru veya levhalı cam örtülü düzlem toplayıcı, (g) çift camlı düzlem toplayıcı, (h) seçici yüzeyli düzlem toplayıcı, (i) vakum borulu toplayıcı, taşınım ile ısı kaybı yok. 53 IS IK I IS IS IK SIYAH BOYALI YÜZEY ISI SEÇICI YÜZEY Şekil 3.2 Siyah boyalı ve seçici yüzeyli plakalarda güneş ışınımının yutulması ve ısı ışınlarının yayılması Farklı uygulama alanlarına bağlı olarak geliştirilen toplayıcı tipleri ve çalışma sıcaklıkları Tablo 3.1’de verilmiştir. Ülkemizde sıcak su ısıtma amaçlı olmak üzere 2.53 milyon m2 kurulu toplayıcı alanı mevcut olup, yıllık toplayıcı üretimi 400-500 bin m2 düzeyindedir. Özellikle, güneş enerjisi potansiyelinin yüksek olmasından dolayı Akdeniz ve Ege Bölgelerinde yoğun olarak kullanılmaktadır. 54 Tablo 3.1 Farklı toplayıcı tiplerinin uygulama alanları ve çalışma parametreleri(Marko and Braun, 1994) Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan diğer bir toplayıcı tipi ise havalı güneş toplayıcılarıdır. Havalı güneş toplayıcıları; yutucu yüzey ve çalışma akışkanı hava yardımıyla güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Yutucu yüzeye gelen güneş ışınlarının büyük bir kısmı burada yutulur ve taşınım ile sistemde dolaştırılan çalışma akışkanı havaya aktarılır. Toplayıcılardan elde edilen yararlı ısı; toplayıcıdan geçirilen çalışma akışkanının giriş ve çıkış entalpi farkına eşittir. Yutucu yüzey olarak kanatçıklı metal levhalar, V-şekli verilmiş metaller, düz metal levhalar, içinden çalışma akışkanın geçtiği ağ şeklinde malzemeler, yarılmış ve açılmış metaller, sentetik ve doğal kürkler kullanılmaktadır. Yutucu yüzey ile çalışma akışkanı arasında ısı transfer katsayısı küçük olduğundan seçilen malzemenin ısı transfer alanı/hacim oranının büyük olması gerekmektedir. Bu şekilde ısı transfer alanı artacağından çalışma akışkanına aktarılan enerji miktarı da artar. Yutucu yüzeyin pürüzlü olması ısı transferinde artışa neden olur. Pürüzlülük ısıl verimi olumlu yönde etkilerken, toplayıcıda oluşacak basınç kaybını dolayısıyla fan gücünü artırır. 55 Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan havalı ve sıvılı güneş toplayıcıların uygulama alanları olarak; kullanım suyu ısıtması, konut ısıtması, sera ısıtması, tarımsal ürünlerin kurutulması, büyük hacimlerin ısıtılması ve soğutulması olarak sıralanabilir. a) Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri: Güneş enerjili su ısıtma sistemleri özellikle maliyet ve çevre şartları dikkate alınarak kurulmalıdır. Uygulamada kullanılan güneşli su ısıtma, genellikle doğal dolaşımlı sistemlerdir. Uygulama şartlarına bağlı olarak ters dolaşımlı, aşağıya doğru boşaltmalı, geriye doğru boşaltmalı ve donmayan sistemler tercih edilebilir. Doğal dolaşımlı su ısıtma sisteminin toplayıcısında güneş radyasyonunun yutulması sonucunda, yutucu plaka kanallarında dolaşan su ısıtılır. Isınan suyun yoğunluğu azalarak, kendiliğinden yükselir ve depolama tankına üst kısımdan girer. Depolama tankının alt kısmındaki soğuk su, yer çekiminin etkisi ile dışarı çıkar ve toplayıcının alt kısmına ulaşır. Bu dolaşım, toplayıcı ve depolama tankı sıcaklıkları birbirine eşit oluncaya kadar devam eder. Güneş radyasyonunun şiddeti arttıkça, akışkanın dolaşım hızı da artar. Sıcak su kullanılmak istendiğinde, su depolama tankının üstünden alınır. Suyun sıcaklığı yeterli değilse, yardımcı bir enerji kaynağı ile ısıtmaya devam edilerek istenilen sıcaklığa ulaşılır (Şekil 3.3a). Şekil 3.3b'de ise zorlanmış dolaşımlı bir sistem görülmektedir. Bu sistemde genel olarak pompa, diferansiyel termostat, sıcak su deposu, ve tek yollu çek valf bulunur. Toplayıcı devresinde şebeke suyu dolaştırılmaktadır. Ek ısıtıcı ise sıcak su deposunun dışındadır. Burada suyun dolaşımı bir pompa ile sağlanmaktadır. Bu sistemin en önemli avantajlarından birisi ise depoyu istenilen yere monte imkanı vardır. Şekil 3.3c'de ise zorlanmış dolaşımlı kapalı devreli bir sıcak su sistemi verilmiştir. Toplayıcı devresinde dolaşan antifirizli su bir ısı değiştiricisi ile sıcak su deposu içerisinden geçirilmekte ve yeniden toplayıcıya pompalanmaktadır. Zorlanmış dolaşımlı kapalı devreli sıcak su sistemlerinde genellikle iki depo kullanılır (Şekil 3.3d). Burada ısı eşanjörü deponun dışındadır. 56 Şekil 3.3 Güneş enerjili sıcak su sistemleri b) Güneş Enerji ile Kurutma: Kurutma, özellikle gıda, kimya, seramik, kağıt, tekstil ve deri sanayilerinin temel işlemlerinden birisidir. Gıda endüstrisinde kurutma ile, meyve ve sebzelerin besin değerlerini kaybetmeden uzun süre saklanabilmesi ve korunabilmesi amaçlanmaktadır. Kurutma ile besin maddesindeki su yüzdesi azaltılarak meyve asidi, amino asidi gibi zararlı enzimlerin faaliyeti de durdurulmaktadır. Güneş enerjisi ile kurutma, kurutulacak malzemeyi direkt güneş radyasyonu etkisinde bırakarak veya güneşle ısıtılan havayı doğal veya zorlanmış dolaşımla malzemenin üzerinden veya içinden geçirerek sağlanır. Bu sistemlerde güneş ışınımının yanı sıra dış hava sıcaklığı, bağıl nem ve hava hızı da kurutma hızını etkilemektedir. Güneşli kurutucular, açık havada yapılan kurutmanın belli başlı mahzurlarını telafi etmektedir. Bu kurutucular yalnız başlarına kullanılabildikleri gibi fosil yakıtlı sistemlerle birlikte de kullanılabilmektedir. Güneş enerjili kurutma sistemlerinin güneşte doğal kurutmaya göre 57 avantajları şu şekilde sıralanmaktadır: (i) Kurutulacak ürün tozlanma, zararlı böcekler ve yağmur gibi dış etkenlerden korunabilmektedir, (ii) Kurutulacak ürünün düzgün yerleştirme ve yeterli hava sirkülasyonu ile homojen kurutulması sağlanabilmektedir, (iii) Kurutma havası, ürünün zarar görmeyeceği en yüksek sıcaklığa kadar ısıtılabilmektedir, (iv) Kurutma ortamına hava giriş ve çıkış debileri ile kurutma hızları kontrol edilmektedir. Güneş enerjili kurutma sistemlerinde, kurutulacak ürünün cinsine göre direkt veya indirekt kurutucular kullanılır. Direkt kurutucularda ürün direkt olarak güneşin etkisine bırakılır. İndirekt kurutucularda ise ürün kapalı, izolasyonla korunan kurutma odasına yerleştirilir. Direkt kurutucularda ürüne ısı transferi taşınım ve radyasyon ile gerçekleşir. Bundan dolayı kurutma oranı; indirekt güneş ışınımının etkisinde kalış biçimine, kurutucudan geçen kurutma havasının atılış biçimine ve kurutucu hacminde dolaşan havanın sıcaklığına göre sınıflandırılabilmektedir. Şekil 3.4’de farklı çalışma koşulları için dizayn edilen kurutma sistemleri verilmektedir. Güneşin kurutulan ürün üzerine başka etkileri görülmektedir. Örneğin; üzüm ve hurmaların kurutulmasında güneş ışığı etkisi altında kalmak kurutulan ürünün renk oluşumu için gereklidir. Oysa bazı meyvelerin kurutulmasında güneş ışığı etkisi altında kalmak C vitamını miktarını azaltmakta veya renk oluşumunu ters olarak etkileyebilmektedir. Bu nedenle kurutucu seçiminde kurutulan ürünün özellikleri de dikkate alınmalıdır. Şekil 3.4 Güneş enerjisi ile kurutma prosesleri ve çeşitli kurutucu dizaynları. 58 c) Güneş Enerjisi İle Damıtma: Güneş ışınımı yüksek olan deniz kıyısında bulunan bölgelerde ve adalarda ulaşım imkanlarının güç olması nedeniyle güneş enerjili damıtıcılar büyük kolaylık sağlamaktadır. Deniz suyundan tatlı su üretiminde faydalanılan geleneksel sistemlerin enerji işletme maliyetlerinin yüksek oluşu, hava kirliliğine yol açmaları, pahalı ve hassas cihazlar kullanma zorunluluğu gibi olumsuz yönleri vardır. Deniz suyunun içilebilir hale getirilmesinde güneş enerjisinin kullanılması yukarıda sayılan olumsuzlukları ortadan kaldırmaktadır. Deniz suyundan tatlı su üretiminde iki temel yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi suyu çözeltiden ayıran buharlaştırma, dondurma, kristalleşme ve filtreleme olup ikincisi ise suyu çözeltiden ayıran elektrodiyaliz, ekstraksiyon, iyon değişimi ve difüzyon sistemleridir. Güneş enerjisi ile suyun damıtılmasında yaygın olarak kullanılan basit sera tipli damıtıcı Şekil 3.5’de görülmektedir. Bu tip damıtıcıda tuzlu suyun bulunduğu bölümün tabanı güneş ışığını absorplaması için siyaha boyanmıştır. Üstte ise hava sızdırmaz geçirgen bir kapak mevcuttur. Cam kapak, toplama kanalına doğru eğimlidir. Cam kapaktan geçen güneş ışınları, su ve siyah yüzey tarafından yutulur. Bu enerji, tabandaki tuzlu suyu ısıtır ve bir kısım tuzlu suyun ısınmasına ve buharlaşmasına neden olur. Su yüzeyine yakın bölgelerde nem artar, dolayısıyla kapalı sistemde taşınım akımları oluşur. Daha ılık nemli hava, daha soğuk cama doğru yükselir. Burada su buharının bir kısmı cam yüzeyinde yoğuşur, aşağıya doğru kayarak toplama kabına damlar ve temiz su alınır. Damıtıcıdaki soğuk su güneş radyasyonuna bağlı olarak ısınır. Su sıcaklığı yükseldikçe damıtma işlemi hızlanır. Damıtma gün boyunca yavaş yavaş ilerlemesine karşılık, güneş batışından sonra çevre sıcaklığının düşmesine bağlı olarak cam sıcaklığının düşmesiyle artar. Güneş enerjili damıtıcıların veriminin arttırılması için çalışmalar devam etmektedir. Farklı tiplerde damıtıcılarda imal edilmektedir. 59 Günes isigi Cam örtü Su girisi Toplama kabi Izolasyon malzemesi Yutucu yüzey Deniz suyu Şekil 3.5 Basit sera tipi güneş enerjili damıtma sistemi. d) Güneş Enerjisi ile Soğutma: Soğutmaya ihtiyaç duyulan mevsimde güneş enerjisinin bol olması, bu kaynağın soğutma amacıyla kullanılmasını cazip kılmaktadır. Soğutma, hem sıcaklık konforunu sağlamak hem de gıda maddeleri gibi dayanımı az olan maddelerin depolanması için gereklidir. Güneş enerjisi ile soğutma son yıllarda araştırması yapılan güneş enerjisi uygulamaları içinde önemli bir yer tutmaktadır. Soğutma işlemleri için güneş enerjisi; Rankine çevrimli mekanik buhar türbinli sistemlerde, absorbsiyonlu sistemlerde, termoelektrik sistemlerde, ejektörlü sistemlerde, adsorbsiyonlu sistemlerde, Brayton çevrimli mekanik sistemlerde, gece ışınım etkili sistemlerde ve fotovoltaik ünitelerde enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Bu sistemler içinde absorbsiyonlu soğutma sistemi, düşük sıcaklık uygulamaları için en uygun olanıdır. Kapasite kontrolünün basitliği, yapım kolaylığı ve performans katsayısının yüksekliği absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin avantajlarıdır. Termoelektrik soğutma sisteminde, kullanılan güneş enerjisi hücrelerinin pahalı olmasından dolayı, kullanımı yaygın değildir. Ejektörlü soğutma sistemi ise ekonomik nedenler ve düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarının sağlanmamasından dolayı diğer sistemlere göre daha az avantajlı sayılmaktadır. Adsorpsiyonlu sistem, evaporatif soğutma ile bazı nem alma maddeleri tarafından havanın neminin giderilmesi işleminden oluşmaktadır. Düşük sıcaklıklarının elde edilmesi ve ekonomik olmaması nedeniyle çok sınırlı olarak klima uygulamalı için kullanılmaktadır. Brayton çevrimli mekanik sistem ekonomik olmaması, düşük performans katsayısı ve sistem karmaşıklığı gibi dezavantajlar göstermektedir. Ayrıca gece ışınım etkili güneş enerjisi elemanları 60 kullanılan bu sistemde soğutma, ışınımla ısı transferi yoluyla gece gökyüzüne enerji kaybedilmesi şeklinde oluşmaktadır. Bu sistemde düşük sıcaklıkların elde edilmemesi ve uygun meteorolojik koşullar gerektirmesi nedeniyle tercih edilmemektedir. Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde, Amonyak-Su ve Lityum BromürSu akışkan çiftleri başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Amonyak-su kombinasyonlu absorbsiyonlu soğutma sistemi gıdaların soğukta saklanmasında gerekli olan düşük sıcaklıklar için oldukça elverişli olmaktadır. Aynı zamanda ucuz ve ticari olarak kullanılabilmektedir. LityumBromür-Su kombinasyonu ise hava şartlandırma (klima) uygulamaları için uygun olmaktadır. Absorpsiyonlu soğutma çevriminde, soğutucu akışkan ve soğutucu akışkan gazını absorblayan sıvı akışkan (absorbent) bulunur. Şekil 3.6’da görüldüğü gibi güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi; generatör, absorber, evaporatör, kondenser gibi dört ana elemandan oluşmaktadır. Absorberde bulunan çözelti, bir sıvı pompası ile basınçlandırılarak generatöre gönderilir. Güneş enerjisinden sağlanan ısı ile soğutucu akışkan absorbentten ayrılır. Generatöre ısı verilerek karışımdan ayrılan soğutucu geçer. Sıvı haldeki soğutucu akışkanın basıncı düşürülerek evaporatöre gönderilir. Burada basıncı düşen soğutucu akışkan ortam ısısını alarak buhar haline geçer ve absorbere ulaşır. 61 Şekil 3.6 Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi e) Güneş Enerjisi ile Pişirme: Güneş ocakları, dünyada güneş enerjisi potansiyeli yüksek olan Hindistan, Pakistan ve Çin gibi ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çin’de bugün 400.000’den fazla güneş ocağı kullanılmaktadır. Güneş ocaklarının, gereken ısının depolanamaması, güneş ışınımının düşük olduğu saatlerde kullanılamaması gibi dezavantajları vardır. Daha çok gelişmekte olan ülkelerdeki araştırıcılar tarafından geliştirilen modeller ticari olarak da kullanım potansiyeli bulmuştur. Ayrıca kamplarda ve pikniklerde kullanılmak üzere katlanabilir, yansıtıcılı, kolay taşınabilir yapıda güneş ocakları geliştirilmektedir. Isı kutulu güneş ocağı Şekil 3.7‘den de görüldüğü gibi birkaç tabakalı cam veya geçirgen örtü ile yalıtılmış bir kaptan oluşmuştur. Bu tip ocaklarda sera etkisinden yararlanılır. Burada geçirgen örtü kısa dalga boylu güneş ışınımının geçişine izin verirken, iç ortamdaki düşük sıcaklıktaki maddelerin yaydığı uzun dalga boylu ışınların geçişine izin vermez. Ayrıca pişirme hacmi üzerine gelen güneş ışınımını artırmak için aynalar kullanılabilmektedir. Parabolik yansıtıcılı güneş ocaklarında ise pişirilecek malzeme yoğunlaştırıcının odak noktasına yerleştirilir. Bu tip sistemler günün büyük bir kısmında verimlidir, çünkü 62 güneşin hareketini takip etmek için yönlendirilebilirler. Fakat açıkta çalıştıkları için rüzgarın konveksiyonundan dolayı büyük ısı kayıpları meydana gelebilir. Güneş fırınları ise ısı kutulu güneş ocaklarına benzer prensiple çalışırlar. Bu sistemde doğrudan gelen güneş ışınımı yansıtıcılar kullanılarak yoğunlaştırılır. Böylece fırın içinde doğrudan yüksek sıcaklıklara ulaşmak mümkün olmaktadır. Şekil 3.7 Isı kutulu güneş ocağı (f) Tuz tabakalı güneş havuzu Güneş enerjisinden düşük sıcaklıkta (100oC' nin altında) ısı enerjisi üreten sistemlerden birisi de tuz tabakalı güneş havuzlarıdır(TTGH). TTGH sistemi, normal bir havuz tabanındaki konveksiyon akımlarını tamamen engellemek veya en alt seviyeye indirmek böylece havuz tabanındaki ısı enerjisini orada muhafaza etmek amacıyla gelişme aşamasında bulunan bir tekniktir. Bu sistemlerle ısıyı tabanda 3-4 ay kadar tutmak mümkündür. Tabanda toplanan ısı enerjisi, proses ısısı olarak kullanılabileceği gibi alçak basınç ve sıcaklıkta buharlaşabilen freon ve amonyak gibi akışkanlar sayesinde elektrik enerjisi üretiminde de kullanılabilir. TTGH sistemi genel olarak iki veya üç tabakadan oluşur. En alt tabaka homojen bir tuz konsantrasyonuna sahiptir. Üstteki tabakalar ise yüzeyden tabana doğru artan bir tuz konsantrasyonuna sahiptir. TTGH sisteminde tabanda depo edilen ısı enerjisi uygun bir ısı değiştiricisi yardımıyla çekilmesi mümkündür. Şekil 3.8'de bir TTGH sistemi ile elektrik üretimi prensibi verilmiştir. 63 Şekil 3.8 TTGH sistemi ile elektrik üretimi 3.2.2 Orta sıcaklık uygulamaları 100-350°C arasındaki orta sıcaklıklar uygulamalarında güneşi izlemeyen silindirik odaklı toplayıcılar kullanılır. Odaklı toplayıcılar güneş ışınlarını yansıtarak veya kırarak belli bir yerde toplayabilen ayna ve mercek sistemleridir. Yani bunlar, odak düzleminde, ısı iletim akışkanını içeren bir yutucu bulunan ayna veya mercekli sistemlerdir (Şekil 3.9) 64 Şekil 3.9. Işınımın yansıtıcı yüzey veya ışın kırıcı yüzey ile (a) bir noktaya (b) bir doğruya yoğunlaştırılması (Kılıç, 1983) Aynalardan oluşan odaklı toplayıcılar, güneş ışınlarını tek bir kez veya ardarda iki kez yansıtarak yoğunlaştırır. Aynalar, düz silindirik, konik, küresel veya parabolik olabilir. Yoğunlaştırıcı toplayıcı tek bir ayna veya mercekten ibaret olabileceği gibi birçok ayna veya mercekten de oluşabilir. Şekil 3.10'da farklı tipte tasarlanmış yoğunlaştırıcılı sistemler gösterilmiştir [Duffie, 1991]. Bu sistemlerde güneş ışınları bir toplama hattı üzerine yoğunlaştırılmaktadır. Su buharı üreten bu sistemlerden bir kısmı Avusturalya, Avrupa, ABD ve Japonya’da endüstriyel uygulama bulmuştur. 65 Şekil 3.10 Farklı tipte tasarlanmış yoğunlaştıran toplayıcılar: (a) arka plandaki yansıtıcıdan yansıyan ışınları yutan boru tip, (b) eğri yüzeyli yansıtıcıdan yansıyan ışınları yutan boru tip, (c) düzlem yansıtıcılı düzlem yutuculu tip, (d) parabolik yoğunlaştırıcı tip, (e) Fresnel yansıtıcı, (f) kuleye yoğunlaştırıcılı tip 3.2.3 Yüksek sıcaklık uygulamaları Güneş enerjisinden 350°C ve daha yüksek sıcaklıklar elde edilmesinde, iki eksende güneşi izleyen ve çok sayıda aynalardan oluşan güneş fırınları ya da merkezi toplayıcı güneş kuleleri kullanılmaktadır. Tek tek yönlendirilmiş “heliostat” adı verilen aynalar güneş enerjisini bir kule üzerindeki sabit noktaya yoğunlaştırmaktadır. Güneş fırınları ve kuleleri madenlerin ergitilmesinde ve elektrik üretiminde kullanılır. Güneş enerjili termal elektrik üretimi, bilinen elektrik üretim yöntemleriyle benzerlik gösterir. Bu enerji dönüşüm sistemlerinde, ya bir türbini döndürmek için gaz veya buhar kullanılır ya da bir pistonun ileri geri hareketi ile Stirling motoru çalıştırılır. Güneş enerjili termal güç sistemlerinde direkt güneş ışınımının yoğunlaştırılması suretiyle buhar ya da sıcak gaz üretilir. Güneş termal güç teknolojileri şu şekilde gerçekleşmektedir: - Bir kollektör sistemi kullanarak güneşten gelen radyasyonunun toplanması - Bir toplayıcı üzerine güneş radyasyonun yoğunlaştırılması - Toplayıcı yardımıyla güneş radyasyonunu termal enerjiye çevirme - Termal enerjinin bir güç dönüşüm sistemine transferi 66 - Termal enerjiyi elektrik enerjisine çevirme Güneş enerjisi ile elektrik üretimi termoelektrik dönüşüm ve fotoelektrik dönüşüm ile elde edilmektedir. Termoelektrik dönüşümde güneş yoğunlaştırıcısı olarak; parabolik aynalar, çanaklar veya heliostatlar kullanılır. Akışkanın güneş radyasyonu ile ısıtılarak buharlaştırılması ve buharın bir turbo-jenetörü çevirmesi sağlanır. Bu sistemlerin ulaşılması güç bölgelerde ve köylerde elektrik enerjisi olarak kullanımını sağlamak ve enterkonnekte sisteme bağlamak için çalışmalar devam etmektedir. Bu sistemlerden en büyüğü, Kaliforniya'da 354 MW pik gücü üreten bir tesis olup 1985 ile 1991 yılları arasında kurulan 9 adet Güneş Elektrik Üretim Sistemi (SEGS) dünyada ağa bağlı olarak üretilen elektriğin % 90'nını kapsamaktadır. Bu tesis 1 milyon metrekareden fazla güneş toplayıcısından ibarettir. SEGS tesislerinde üretilen elektriğin maliyetinin % 25'ini bakım ve üretim masrafları oluşturmaktadır. Düşük fosil yakıt fiyatlarından dolayı elektrik üreten konvensiyonel fosil yakıt tesislerle, elektrik ağına bağlı güneş enerjili elektrik tesislerinin rekabet etmesi günümüzde oldukça zordur. Çanak sistemler güneşi izlerler ve güneş enerjisini yutacak olan alıcıya odaklarlar. Yüksek verimlerinden dolayı bu sistemlerde Stirling makineleri tercih edilmektedir. Son on beş yıl içerisinde 2 kW ile 50 kW arasında büyüklüğe sahip, 8 farklı çanak alıcı ABD, Almanya, Japonya ve Rusya'daki şirketler tarafından imal edilmiştir. Üretici firmalar, bu sistemleri, su pompalaması ve uzak bölgelerde enerji temini için ihraç etmektedirler. Gelecek yıllarda bu sistemlerle köy elektrifikasyonu gerçekleştirilecek ve mevcut enerji dağıtım şebekesine enerji sağlanacaktır. 3.3 Güneş enerjisinin yoğunlaştırılmasında kullanılan teknolojiler Yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemleri, güneşten gelen enerjiyi çeşitli ayna düzenekleri kullanarak yüksek sıcaklıkta ısı enerjisine dönüştürürler. Isı daha sonra bilinen yöntemlerle elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu sistemler başlıca iki ana kısımdan oluşur. Birinci kısımda güneş enerjisi toplanır ve ısı enerjisine dönüştürülür. İkinci kısımda ise ısı elektrik enerjisine dönüştürülür. Yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemleri hem evsel enerji ihtiyacını karşılayacak şekilde düşük güçler için (10kW), hem de 100MW'a kadar merkezi enerji nakil sistemini besleyecek şekilde büyük güçler için tasarlanır. Geliştirilmiş bazı sistemlerde fazla gelen güneş enerjisi, bulutlu havalar ve geceleyin kullanım için depolanır. Bir çok sistem diğer enerji kaynaklarıyla örneğin doğal gazla birlikte çalışır. Bu birleşik sistemler ‘’hibrit güç sistemleri’’ olarak da bilinir ve yüksek güç verirler. 67 Bir çok bölgede yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemlerinin kurulabilmesi için yeterli güneş enerjisi mevcuttur. Bu sistemler, ‘’fotovoltaik’’ dönüşüm sistemlerinde olduğu gibi yaygın güneş radyasyonundan ziyade direkt güneş ışınımını kullanırlar. Dünyanın bir çok bölgesi yoğunlaştırılmış güneş enerjili sistemlerinin kullanılması için önemli bir uygulama alanıdır. Üç farklı tipte yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemi vardır. Bunlar; parabolik tekne, ayna/motor ve güneş kulesi sistemleridir. Bu sınıflandırma güneş enerjisini toplama biçimine göre yapılmıştır. (a) Parabolik Tekne sistemleri: Güneş enerjisi; tekne şeklinde parabolik eğri yüzeye sahip bir yansıtıcı eleman yardımıyla yoğunlaştırılır. Yansıtıcı yüzey üzerinde parabolik eğri boyunca hareket eden yutucu bir boru mevcuttur. Şekil 3.11’de bu sistem görülmektedir. Güneşten gelerek boru üzerine yoğunlaştırılan ışınlarla boru içerisindeki çalışma sıvısı ısıtılır. Daha sonra ısı enerjisi yardımıyla üretilen buhar, bir buhar türbini-jeneratör sisteminden geçirilerek elektrik enerjisi üretilir Bu sistemler, gece boyunca ve güneşin olmadığı saatlerde de düzenli bir şekilde elektrik üretebilmesi için ayrıca bir termal enerji depolama sistemlerine de sahiptirler. Genelde parabolik tekne sistemleri hibrit sistemler olup, bulutlu havalarda ve geceleyin sürekli enerji üretimini sağlamak için fosil yakıt kullanan sistemler de devreye girmektedir. Burada fosil yakıt olarak doğal gaz veya kömür kullanılır. Parabolik tekne sistemlerinde yoğunlaştırma oranı 10 dan 100’e kadar çıkabilirken sıcaklık da 400oC 'a kadar çıkabilir. Bir toplayıcı tarlası, kuzey - güney ekseni üzerine paralel sıralanmış bir çok çanaktan oluşur. Bu düzenek güneş ışınlarının gün boyunca doğudan batıya doğru tek eksenle izlenmesine ve sürekli olarak yutucu boru üzerine odaklanmasına imkan verir. Parabolik teknelerden oluşan bir toplayıcı tarlası sistemi ile ticari olarak toplam kapasitesi 350 MW ’dan daha büyük sistemler oluşturmak mümkündür. Bu tip güneş enerjili elektrik sistemlerinde ısı transfer akışkanı olarak termal yağ kullanılır, Bu ısınmış yağ boru hatları yardımıyla bir seri ısı eşanjörüne gönderilerek 390oC sıcaklığa kadar ısıtılmış buhar elde edilmesini sağlar. Süper ısıtılmış buhar bir türbinden geçirilerek elektrik enerjisi üretilir. Bu elektrik lokal enerji hatlarını besleme için de kullanılır. Bu sistem üzerindeki araştırmalar devam etmektedir. Çalışmalar daha ziyade toplayıcı içinde buharı direkt üretmeye yönelik olmaktadır. Böylece daha düşük üretim maliyetine ulaşılması hedeflenmektedir. Güneş enerjili hibrit sistemler de bir diğer araştırma konusudur. Bu konuda; özellikle İsrail, Almanya ve İspanya ‘da çalışmalar yapılmaktadır [ ]. Bu teknolojiyi ayrıca; evlerde, hapishanelerde, restaurantlarda, okullarda, küçük üretim atölyelerinde, çamaşırhanelerde de kullanmak mümkündür. 68 Şekil 3.11 Parabolik tekne sistemi (b) Çanak/motor sistemleri: Çanak motor sistemleri başlıca; yansıtıcı, toplayıcı ve bir motordan oluşan başlı başına bir ünitedir. Güneş enerjisi, çanak biçimli bir yüzey tarafından bir alıcı yüzey üzerine nokta şeklinde yoğunlaştırılır. Alıcı yüzey de bu toplanan enerjiyi ya termal enerjiye dönüştürür ve direkt ısı enerjisi olarak kullanılmasını sağlar ya da bir motor içerisindeki çalışma akışkanına aktarır (Şekil 3.12). Motor ise ısıyı mekanik güce çevirir. Soğukken sıkıştırılmış akışkan, güneş enerjisi yardımıyla ısıtılır ve bir türbin veya silindir piston sisteminde genleşirken iş üretir. Bu mekanik güç bir jeneratör veya bir alternator yardımıyla elektriksel güce dönüştürülür. Çanak-motor sistemleri güneşi iki eksende izlerler. İdeal yoğunlaştırıcı şekli paraboliktir. Üç yada tek bir yansıtıcı yüzeye veya bir çok yansıtıcıdan oluşan bir yüzeye sahiptir. Alıcı yüzey ve motor tipi için başlıca Stiriling motor ve Brayton alıcısı gibi bir çok seçenek vardır. Çanak motor sistemleri bugün ticari olarak üretilmemektedir. Tek bir çanak motor sistemleri ile 25kW kadar güç üretmek mümkündür. Amerika ve Avrupa'da kırsal bölgelerde 7.5-25kW boyutunda uygulamalar yapılmaktadır. Daha fazla güç için çanak sistemlerini birleştirmek gerekmektedir. Bu tip sistemler doğal gazla birleştirildiğinde hibrit sistemler olarak sürekli güç üretebilecek duruma getirilirler. Çanak-motor sistemleri; yüksek verimli, ayarlanabilir, bağımsız operasyonlu ve hibrit sistemlerle beraber çalışabilen bir sistem 69 olarak karakterize edilir. Diğer güneş enerjili sistemlerden farklı olarak çanak-motor sistemleri yüksek elektrik dönüşüm verimine sahiptir(% 29.4). Bu sistemler kırsal bölgelerin enerji ihtiyacını karşılamak için önemli bir alternatif olma durumundadır. Şekil 3.12 Çanak-motor sistemleri Yansıtıcı yüzey cam veya plastik olup gelen güneş radyasyonunu bir nokta üzerine yansıtır. Çanak-motor sistemlerinde yansıtıcı yüzeyin boyutu kullanılan makinanın gücü ile belirlenir. Örneğin ortalama 1000 W/m2 'lik bir güneş radyasyonu için 25kW gücünde bir çanak /stirling sistemi kullanılması durumunda yoğunlaştırıcının çapı yaklaşık 10 m olarak seçilir. Yoğunlaştırıcıda alüminyum veya gümüş yansıtıcı bir yüzey kullanılır bunun da üzerinde cam veya plastik tabaka vardır. Düşük fiyatlı 70 yansıtıcı polimer filmler henüz sınırlı bir başarıyla kullanılmaktadır. Çanak yoğunlaştırıcılar küçük bir odak uzaklığına sahiptir. Düşük demir ihtiva eden camlar yansıtmayı artırmaktadır. Kalınlık ve demir içeriğine bağlı olarak gümüşlü güneş aynaları ile yansıtma oranı %90–94 arasında sağlanır. En ideal yoğunlaştırıcı şekli paraboloiddir. Yoğunlaştırma oranı 2000 ve üzeridir. Güneşin iki eksenli izlenmesi iki şekilde olur. Bunlar Azimut-yükseklik izleme ve kutupsal izlemedir. Azimut yükseklik izlemede; çanak, dünya azimutuna paralel olarak döner, diğer hareket ise buna dik olarak gerçekleşir. Bu kollektörde sol-sağ ve yukarı aşağı şekilde bir dönme sağlar. Dönme oranı gün boyunca değişir. Fakat bu kolayca hesaplanır. Büyük çanak motor sistemlerinde çoğunlukla bu yöntem izlenir. Kutupsal izleme yönteminde kollektör; dünyanın kendi dönme eksenine paralel bir eksen etrafında 15o/saat olacak şekilde sabit bir hızla döndürülür. Diğer dönme ekseni ise, sapma ekseni kutupsal eksene diktir. Bu eksen etrafındaki hareket yavaş olup yıl boyunca -+ 23.5o olarak değişir. Küçük boyutlu çanak motor sistemlerimin büyük çoğunluğu bu sistemi uygularlar. Şekil 3.13a'da güneş açıları ve Şekil 13b'de ise izleme sistemleri görülmektedir. Burada Ψ yüzey azimut açısını, θ zenit açısını göstermektedir. Şekil 3.13 Güneş açıları 71 Şekil 3.13b Güneş izleme prensibi Alıcılar, yoğunlaştırıcı tarafından yansıtılan enerjiyi absorbe ederek makinadaki çalışma sıvısına aktarırlar. Yutucu yüzey, genellikle yoğunlaştırıcının odak noktasının arkasında bulunur. Odağa radyasyon ve konveksiyonla meydana gelen ısı kayıplarını düşürmek için bir menfez yerleştirilir. Stirling motor, yoğunlaştırılmış güneş enerjisini yüksek verimle alır ve bunu yüksek basınçlı bir gaza (helyum veya hidrojen) aktarır. Brayton çevrimli bir sistemde ise akışkan düzenli olup fakat göreceli olarak daha düşük basınçtadır. Çanak-motor sistemlerinde kullanılan motorlar geleneksel sistemlerde olduğu gibi ısıyı mekanik güce çevirirler. Yani çalışma sıvısı soğukken sıkıştırılır, sıkıştırılmış akışkan ısıtılır, Bir türbin veya piston silindir sisteminde genleşirken iş üretilir. Mekanik enerji bir jeneratör yardımıyla elektrik enerjisine dönüşür. Çanak-motor sistemlerinde bir çok termodinamik çevrimi ve çalışma sıvısını kullanmak mümkündür. Bunlar örnek olarak su veya organik çalışma sıvısı kullanan Rankine çevrimini, açık ve kapalı Brayton çevrimini ve Stirling çevrimini verebiliriz. Otto ve dizel motor çevrimleri bu sistemler için uygun değildir. Çanak Stirling sistemlerinde elektriksel güç yaklaşık 25kW, Brayton çevrimlerinde yaklaşık 30kW'dır. (c) Güneş kulesi: Güneş kulesi sisteminde güneşten gelen direkt ışınlar, geniş bir alana yayılmış yüzlerce hatta binlerce aynalar (bunlar heliostat olarak da bilinir) yardımıyla kule üzerindeki toplayıcı üzerine yoğunlaştırılır. Toplayıcı içerisinden dolaştırılan tuzlu eriyiğin, bu yoğunlaşan enerji yardımıyla sıcaklığı artırılır. Bu tuzlu 72 eriyiğin ısı enerjisi daha sonra elektrik enerjisi üretmek amacıyla bir geleneksel buhar türbini-jenerator sisteminde kullanılır. Tuzlu eriyik ısıyı verimli bir şekilde tutar. Böylece ısı, saatlerce veya hatta günlerce elektrik enerjisi üretilmeden muhafaza edilir. Şekil 3.14'de bir güneş kulesi sistemi görülmektedir. Şekil 3.14 Güneş kulesi sistemi Tuzlu eriyik 277oC sıcaklıkta soğuk depolama tankından kule üzerindeki bir toplayıcı içerisine pompalanır. Burada 777oC’a kadar ısınarak bir sıcak tanka gönderilerek depolanır. Güce ihtiyaç duyulduğunda sıcak tuzlu eriyik bir buhar üretme sistemine pompalanarak yüksek sıcaklıkta buhar üretilmesinde kullanılır. Buhar üretecinden çıkan tuzlu eriyik tekrar soğuk tanka gönderilerek depolanır ve yeniden toplayıcı sisteme gönderilir. Bir termal depolama ile birlikte güç kulesi sistemi yıllık %65 73 kapasite faktörü ile çalışır. Bunun anlamı, yılın %65'inde ilave bir enerji kaynağı kullanmadan çalışabilirler. Enerji depolamadan güneş teknolojilerinin yıllık kapasite faktörleri % 25 civarındadır. Güneş kulesi, bu depolama sistemi ve daha uzun süre çalışabilmesi özellikleri nedeniyle diğer yenilenebilir enerji teknolojilerinden ayrılır. Bu sistemler; ısı transfer akışkanı, ısı depolama ortamı ve güç dönüşüm sistemine bağlı olarak farklı şekillerde tanımlanırlar. Güneş kulesi sistemlerinde ısı transferi akışkanı olarak su/buhar, eriyik nitrat tuzu, sıvı metaller veya hava kullanılır. Termal enerji depolama, faz değiştiren maddeler veya seramik briketler yardımıyla sağlanır. Genelde Rankin buhar çevrimi uygulanmakla birlikte diğer bir alternatif olarak açık çevrimli Brayton güç dönüşüm sistemi de kullanılabilir. Güç kulesi sistemlerinde yoğunlaştırma oranı 300 ile 1500 arasında değişirken, sıcaklık 550oC’dan 1500oC’a kadar çıkabilir. Maksimum güç 10 MW ve üzeridir Isı transferi akışkanı olarak genelde iki farklı akışkan kullanılmaktadır. Bunlar su ve erimiş tuzlardır. Su ısı transferi için en eski ve en ucuz çözümdür. Tuz eriyikleri, bulutlu havalarda ve geceleri ısısını uzun süre sakladığı için çok iyi bir enerji depolayıcı malzemedir. Erimiş tuzlar genellikle %60 sodyum nitrat ve %40 potasyum nitrat ihtiva eder. Tuz yaklaşık 700oC’ da erir. 1000oC da ise hala eriyik halindedir. İzolasyonlu bir kapta uzun bir süre tutularak ihtiyaç olduğu anda suyu buharlaştırmak için hazır bekletilir. Bu tip bir enerji depolamanın verimi %99 civarındadır. %1lik kayıp ise izolasyon kayıplarıdır. Günümüzde güneş kulesi sistemlerinde nitrat tuzu ve havanın ısı transfer akışkanı olarak kullanılması konusunda araştırmalar devam etmektedir. Nitrat tuzunun depolama amaçlı kullanılması durumunda, güneşsiz ve bulutlu günlerde ve güneş battıktan sonra da gerekli güç üretilir. Çalışmalarda hedef nitrat tuzlu sistemlerle 100-200MW’lık güçler üretmek olmaktadır. Günümüzde sistemin maliyeti yüksek olduğu için az sayıda güneş kulesi vardır. Bu sistemlerin kurulabilmesi için bölgenin uzun süre ve çok yoğun güneş ışınımı alması gerekir. Tablo 3.2'de dünyada kurulu güneş kulesi sistemleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. 74 Tablo 3.2. Dünyada kurulu güneş kulesi sistemleri Proje Ülke SSPS EURELIOS SUNSHINE Solar One CESA-1 MSEE/Cat B THEMIS İspanya İtalya Japonya Amerika İspanya Amerika Fransa Güç (MW) 0.5 1 1 10 1 1 2.5 SPP-5 TSA Solar Two Rusya İspanya Amerika 5 1 10 Isı transfer akışkanı Sıvı Sodyum Buhar Buhar Buhar Buhar Nitrat eriyiği Yüksek teknoloji tuz Buhar Hava Nitrat tuzu eriyiği Depolama ortamı Sodyum Nitrat tuzu/Su Nitrat tuzu/Su Yağ/Kaya Nitrat tuzu Nitrat tuzu Yüksek teknoloji tuz Su/Buhar Seramik Nitrat tuzu İşletmeye açılış 1981 1981 1981 1982 1983 1984 1984 1986 1993 1996 İlk güneş kulesi sisteminde; buhar türbini sisteminde kullanılan buhar direkt olarak üretilmiştir. ‘’Solar One’’ sistemi 1982 yılından 1998 yılına kadar dünyanın çalışan en büyük güneş kulesi sistemi olup, toplayıcı içerisindeki su buhara dönüştürülerek Rankin çevrimli bir buhar türbini sisteminde kullanılmıştır. Burada her birinin yansıtıcı yüzey alanı 39.3 m2 olan 1818 adet heliostat adı verilen güneşi izleyen aynalar kullanılmıştır. Gelecekte, güney batı Amerika’da 30-100 MW arasında bir güneş kulesinin planlanması düşünülmektedir. Dünyada Hindistan, Mısır ve Güney Afrika güneş kulesi sistemlerinin kurulması için aday ülkeler durumundadır. Teknolojik olarak 400 MW güce kadar güneş kulesi sistemi yapmak mümkündür. Çevre kirliliği yaratmayan enerji kaynakları gün geçtikçe daha fazla önemli olurken, tuz eriyikli güneş kulesi sistemlerinin maliyetli hala yüksek olmaktadır. Buna rağmen, enerji depolamalı güneş kulesi sistemlerinde yıllık kapasite faktörü %65 ‘e kadar çıkabilmektedir. Bu teknolojinin kullanılmasındaki önemli bir sorun da büyük bir yüzey alanına ve çok miktarda suya ihtiyaç duyulmasıdır. Çöllerde yeterli güneş enerjisi ve alan olmasına karşılık buralarda su temini zordur. Güneş kulesinde gerekli yüzey alanı hidrolik sistemlerle karşılaştırıldığında daha azdır. Şekil 3.15'de bir güneş kuleli hibrit sistem görülmektedir. Burada hem buhar hem de gaz türbini mevcut olup gaz türbininde sadece fosil yakıt kullanılmaktadır. Buhar türbininden güç üretiminde ise hem güneş enerjisi hem de fosil yakıt kullanılmaktadır. 75 Şekil 3.15. Güneş kuleli hibrit sistem Şekil 3.16'de farklı kapasite faktörlerinde tasarlanmış iki güneş kulesi sistemi görülmektedie. Kapasite faktörünü verilen bir türbin boyutunda artırmak için şu yollar izlenir. a)heliostat sayısını artırmak, b)termal depolama tankını büyütmek, c) kuleyi yükseltmek, d)alıcı boyutlarını büyütmek. Böylelikle kapasite aktörünü %25'den %65'e çıkarmak mümkün olacaktır. 76 Şekil 3.16. Farklı kapasite faktörlerinde tasarlanmış güneş kuleleri Yoğunlaştırılmış güneş gücü teknolojileri, büyük ölçekli güç sistemlerinde (10 MW ve üzerinde) oldukça ekonomik olup kurulu gücün maliyeti bugünkü teknoloji ile 23$/Watt 'dır. Yani 10MW'lık bir sistemin maliyeti 3 milyon USD olup burada üretilen elektriğin maliyeti ise 9-12cent/kWh'dir. Doğal gazlı kombine bir yoğunlaştırılmış güç sistemlerinde bu değer 8 centin altına düşmektedir. Teknolojideki gelişmeler ve düşük fiyatlı termal depolama sistemlerinin kullanılması ile yoğunlaştırılmış güneş enerjili sistemler günün daha fazla saatinde çalışma imkanı sağlayacaktır. Böylece elektriğin kWh 'ini 4-5 cent civarına düşürmek mümkün olacaktır. 3.4 Fotovoltaik pil uygulamaları Güneş enerjisinin fotoelektrik dönüşümünde kullanılan fotovoltaik piller, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Fazla elektron bulunan n-tipi yarı iletken ile fazla boşluk bulunan p-tipi yarı iletken yan yana geldiği zaman tek bir kristal meydana getirmesi ve fazla elektronların boşluklara atlamasıyla doğru akım meydana gelir. Güneş pillerinin verimleri; tasarım, madde yapısı ve imalat şartlarına bağlı olarak % 6 – 35 arasında değişir. Şekil 3.17'da bir fotovoltaik pilinin yapısı görülmektedir. 77 Şekil 3.17. Fotovoltaik pil (a) pilin yapısı, (b) elektrik üretimi Güneş pillerinin 35 yıllık gelişiminde, özel ve kamu destekli araştırma ve geliştirme çalışmaları esas olmuştur. Güneş pili fiyatlarındaki düşüş ve elektrik üretiminde temiz bir enerji kaynağı olmasından dolayı kullanımında son yıllarda önemli bir artış görülmektedir. Güneş pilleri pahalı olmalarına karşın en önemli üstünlükleri; hiç bir hareketli parçaya sahip olmamaları, sorunsuz olarak az bakımla 25- 30 yıl kullanılabilmeleri ve çalışma süreleri boyunca doğaya hiç bir kirletici atık bırakmamalarıdır. Güneş pillerini oluşturan hücreler; ışığı emen, elektronları uyaran ve böylece akım taşımak için boşluklar oluşturan iki veya daha fazla özel hazırlanmış yarı iletken madde katmanı içerir. İki ayrı özelliğe sahip yarı iletken maddenin temas yüzeyi, elektronların bir devrede dolaşmasını sağlayacak bir gerilim oluşturur. Bu gerilimi kullanmanın bir yolu cihazda iki veya daha fazla ince yarı iletken madde katmanı kullanmaktır. Bu hücrelerin alanı bir kaç cm2 den 3-4 m2 ye kadar değişmekte ve silikon, galyum arsenit, şekilsiz silikon, bakır indiyum diselenit, kadmiyum tellürit ve bir çok farklı yarı iletken maddeden yapılmaktadır. Birçok hücreyi bir molekülde bağlamak daha yüksek bir güç çıkışı sağlar ve hücreler için koruyucu kaplama oluşturur. Fotovoltaik piller, modüller halinde olduğundan ihtiyaca göre boyutlandırılabilir. Yeni sistemlerin tasarımı, kuruluşu ve çalıştırılması veya var olan sistemlere ek yapılmasında geçen süre diğer konvansiyel güç üretim tekniklerinde gereken sürenin 78 küçük bir kısmıdır. Ayrıca bu sistemlerin basitliği, düşük çalışma ve bakım maliyeti sağlar. Fotovoltaik jeneratörleri çevirme işleminde, hiç bir hareketli parçası olmadığından dolayı bakım, tamir ve yedek parça maliyeti daha düşüktür. Çalışma maliyeti sıfırdır çünkü yakıt masrafının olmaması birim kWh başına enerji maliyetini düşürmektedir. Tipik bir sistemin kullanım süresi yaklaşık 20 yıldır. Güneş pili sistemlerinin maliyeti, temel olarak iki kısımda incelenebilir. İlki güneş pili modüllerinin maliyeti, ikincisi invertörler, elektronik denetim aygıtları, depolama, kablolama, arazi, altyapı hazırlama gibi sistem destek elemanlarının maliyetidir. Genelde güneş pillerinin maliyeti toplam sistem maliyetinin yarısını oluşturmaktadır. Ancak maliyet hesabında çevre etkileri dikkate alınmamaktadır. Yıllık güneş pili piyasasının 500 milyon dolar civarında ve güneş pili üretim kapasitesinin yıllık 50100 MW olduğu sanılmaktadır. 3.4.1 Fotovoltaik pillerin uygulama alanları Fotovoltaik pillerin uygulama alanları; kırsal bölgelerin elektrifikasyonu, zirai uygulamalar (süt, gıda korunması), haberleşme cihazları, uyarı ve sinyalizasyon sistemleri, meteoroloji aletleri, park ve otoyolların aydınlatması, su pompalanması ve küçük tip el aletleridir. Fotovoltaik pillerle sulama sisteminin başlıca bileşenleri, pompa, pompayı çalıştıran elektrik motoru ile motora elektrik enerjisi temin eden fotovoltaik elemanların oluşturduğu fotovoltaik jeneratördür. Bu sistem, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Tüm güneş enerjisi sistemlerinde olduğu gibi sistemin en önemli parçası enerji deposudur. Güneş enerjisinin kesikli olması ve genelde tüketim talebine paralel gelişmemesi nedeniyle sistemde bir enerji deposuna ihtiyaç duyulmaktadır. Fotovoltaik sulama sisteminde en basit depolama alternatifi, gerekli potansiyel enerjiyi sağlayacak yüksekliğe yapılmış su deposudur. Ancak sistemde akümülatör kullanılarak elektrik enerjisi depolanması halinde gerekli jeneratör gücü azalacağından, daha ekonomik bir sulama elde edilebileceği belirtilmektedir. Pompa, su deposu ve borularının hesaplanarak yerleştirilmesi bilinen sulama tekniklerine uygun olarak yapılır. Fotovoltaik sulama sistemlerinde önemli olan fotovoltaik panelin yerleştirilmesidir. Panelin gün boyunca gölge altında kalmamasına dikkat edilerek ön yüzü güneye dik olarak yerleştirilir. Aynı zamanda panelin yatayla yaptığı açı maksimum güneş ışınımını alması yönünden önemlidir. Panelin eğimi, eğer sistem tüm yıl kullanılıyorsa enleme eşit, yaz aylarında kullanılıyorsa enlem- 15°, kış aylarında kullanılıyorsa enlem + 15° alınır. Fotovoltaik pillerin diğer bir uygulama alanı ise güneş elektrik santralleridir. Fotovoltaik santraller 1982 yılında Kalifornia’da 1MW’lik Edison Lugo santralini Los 79 Angeles ile San Francisco arasında kurulan 6.5 MW’lık Carisa Plains santrali izledi. Amerika dışında başka ülkelerde de bu tip santraller bulunmasına karşılık toplam kurulu güçleri güneş termik santrallerinin % 10’unu aşmamaktadır. Fotovoltaik üreteçler merkezi santrallerden çok oto prodüktörler için uygun olup birim kurulu güç maliyetinin termik tiplerden 3.7 – 5.2 kat daha yüksektir. Avrupa'nın güneş pili üretimi 1992 yılında yaklaşık 17 MW değerine ulaşmıştır. Bu rakam toplam dünya üretiminin üçte biri olmuştur. Bu üretimin % 75'i gelişmekte olan ülkelere ihraç edilmiştir. En fazla üretim kapasitesi Almanya, İtalya, İsviçre ve İspanya'dadır. PV teknolojisi temiz teknoloji olduğundan, karbondioksit vergisi ve emisyon yönünden gelecek yıllarda fosil yakıtlara göre daha cazip duruma gelecektir. İngiltere'de Ford firması, fabrika çatısına yerleştirdiği toplam 100 kW gücündeki güneş pilleri ile yılda 110 000 kW saat enerji üretmektedir. Fabrika çatısının % 8’ini kaplayan pillerin 30 yıl boyunca kullanılması durumunda fabrikanın karbondioksit salınımı 3000 ton azalacağı hesaplanmıştır. Avrupa'daki bu tür fabrika yapıları içinde en büyük uygulamalardan biri olan bu sistemin maliyeti 1.5 milyon İngiliz lirasıdır. Proje, BP-Solar firmasınca yürütülmüş ve güneş panelleri, bu firmanın Madrid’deki tesislerinde üretilmiştir. Dünyanın en geniş alanlı güneş pili çatısı, yılda 1.000.0000 kWh 'lik elektrik enerjisi üretecek şekilde Almanya'da kurulmuştur. Toplam 7916 m2 'lik alanı kaplayan 7812 güneş modülünden oluşan sistemin maliyeti 14 milyon Alman markıdır. Ayrıca evlerin çatılarına konulan güneş pilleri, ürettikleri elektriğin üçte birini kendileri için kullanmakta geri kalanını ise enterkonnekte sisteme vererek ulusal elektrik enerjisi üretimine katkıda bulunmaktadırlar. 4. Rüzgar enerjisi 4.1 Giriş Rüzgar enerjisinin kaynağı güneştir. Güneş enerjisinin karaları, denizleri ve atmosferi her yerde özdeş ısıtmamasından dolayı oluşan sıcaklık ve buna bağlı basınç farkları rüzgarı yaratmaktadır. Rüzgar, yüksek basınç alanından alçak basınç alanına yer değiştiren havanın dünya yüzeyine göre bağıl hareketidir. Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin çok küçük bir kısmı rüzgar enerjisine çevrilebilmektedir. Bu enerji yerel coğrafi farklılık ve homojen olmayan ısınmaya bağlı olarak zamansal ve yöresel değişiklikler gösterir. Rüzgar enerjisinde; rüzgarın hızı, yönü ve esme saat sayısı gibi özellikleri değerlendirilir. Rüzgarın hızı yükseklikle, gücü ise hızının küpü ile orantılı 80 biçimde artar. Rüzgarın yönü, günlük hava şartlarına ve iklim özelliklerine bağlı olarak değişmektedir. Meteorolojik ve topografik açıdan rüzgarın olabileceği yerler aşağıda sıralanmıştır: -Basınç gradyanının yüksek olduğu yerler -Yağışların sürekli esen rüzgara paralel olduğu vadiler -Yüksek, engebesiz tepe ve platolar -Yüksek basınç gradyanlı düzlükler ve sürekli rüzgar alan az eğimli vadiler -Güçlü jeostrofik rüzgar alanlarının etkisinde kalan tepe ve zirveler -Jeostrofik rüzgar ve termal gradyan alanına sahip kıyı şeritleri Topografya rüzgarın yönü, hızı ve dağılımında önemli bir rol oynar. Dağ silsileleri, tepe ve kayalıklar, rüzgar profillerini büyük ölçüde etkiler. Dağ silsileleri eğer denize paralel, hakim rüzgar yönüne dik, orta eğimli (10-22o) ve özellikle çıplak ise enerji üretimine uygun yerlerdir. Zirvede rüzgar hızı, eğim ve dağ grubunun büyüklüğüne bağlı olarak artar. Bu nedenle, tepenin üst ön kısmı tesis için uygundur. Fakat tepenin üst arka kısmı türbülans nedeniyle göz önüne alınmaz [EİEİGM, 1992] Rüzgar enerjisinden elektrik üretimi, seçilecek bölgenin meteorolojik özelliklerine ve en önemlisi de kullanılacak türbinin tasarımına bağlıdır. Seçilen bölgeden ekonomik olarak enerji üretebilmek için rüzgar hızı ve yön ölçümleri, topoğrafik yapı ve arazi pürüzlülüğü çok iyi belirlenmelidir. Rüzgar türbinlerinin kurulması tasarlanan bölgede türbin tarafından üretilebilecek elektrik enerjisinin hesaplanabilmesi için, meteorolojik ve bölge verilerinin çok iyi analiz edilmesi gerekir. En yaygın olarak kullanılan hesaplama yöntemi Danimarka’da RISO Laboratuarlarında geliştirilmiş bulunan ''Rüzgar Atlası Analiz ve Uygulama Programı (WASP)'' 'dır. Rüzgar çiftliği kurulmadan önce seçilen araziye en az 10 m veya mümkünse 30 m yüksekliğinde bir çubuk üzerine anemometre yerleştirerek 6 ay süre ile ölçüm yapılmalıdır. Eğer seçilen alanda yükseklik farkları varsa birden fazla anemometre dikilmesi daha yararlı sonuçlar verecektir. Arazi seçiminden sonra kapasiteyi belirleyen en önemli unsur üretilen elektriğin nereye verileceğidir. Ulusal dağıtım sistemine verilecekse araziye en yakın iletim hattı belirlenerek gerekli düzenlemeler yapılmalıdır. Bölge seçimini kısıtlayan bir faktör de rüzgar çiftliği için (bir çok rüzgar türbininin bir arada bulunduğu yerler) geniş arazi gerektirmesidir. Bu santral alanlarında türbinlerin birbirlerine çok yakın yerleştirilmesi birbirlerinin rüzgarlarını keseceği için uygun değildir. Santral alanının efektif olarak kullanıldığı alan %1’i geçmez ve geri kalan arazi tarım ve hayvancılık amacıyla kullanılabilir. Rüzgar santralleri için ileri sürülen gürültü kirliliği de çok yüksek düzeyde değildir. Rüzgar santralı içinde türbinlerin bulunduğu ortamın gürültü seviyesi 80 dB ’dir. Bu değer trafiğin yoğun olduğu 81 bölgelerdeki gürültü düzeyine eşittir. Bundan dolayı rüzgar santralleri ile yerleşim birimleri arasındaki mesafe 500m'den az olmayacak şekilde dizayn edilir. 4.2 Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması Tarih boyunca çeşitli evrimler geçiren rüzgar makinalarında kullanılan türbinler farklı tiplerdedir: a) Yatay eksenliler: Dönme ekseni rüzgarın akım çizgilerine paralel olan türbinlerdir (Şekil 4.1a). b) Dikey eksenliler: Dönme ekseni rüzgarın akım çizgilerine dik olan türbinlerdir. Bunların başlıcaları Darrieus ve Savonius tipinde olanlardır (Şekil 4.1b). Bunlardan birincisi ilk hız alamaması ikincisi ise veriminin düşük olması en olumsuz yanlarıdır. Nispeten daha pratik olan yatay eksenli türbinlerden çok kanatlılar düşük devirlerde tek ve birkaç kanatlılar ise yüksek devirlerde çalıştırılmaktadır. c) Yoğunlaştıran yapıdakiler (Şekil 4.1c). 82 Şekil 4.1 Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması: (a)Yatay eksenli (b) dikey eksenli (c) Yoğunlaştıran tip Bir rüzgar türbin-jeneratör sistemi kurmadan önce seçilen yörenin rüzgar enerjisi potansiyelinin ve buna ait teorik hesapların yapılması gerekmektedir. Sağlıklı bir hesaplama için; rüzgar hızı ölçümleri, türbin kanat çapı, kanat sayısı, türbinin yerden yüksekliği, kanat ucu hız oranı, ve katılık oranı gibi parametrelerin bilinmesi gerekmektedir. Rotorsuz durumda rüzgarın akış yönüne dik herhangi bir A alanı içinden birim zamanda taşınan güç şu şekilde verilir: P = (A ρ Vo3) / 2 83 Burada ρ havanın yoğunluğunu, A kanat alanını ve Vo ise rüzgar hızını göstermektedir. Bu gücün tamamı rüzgar türbini tarafından faydalı güce dönüştürülemez. Faydalı rüzgar gücü PT şu şekilde hesaplanmaktadır: PT = (CP A ρ Vo3) / 2 Burada CP , güç faktörü veya verim olup maksimum değeri %59.3 dür. Bu değere Lanchester Betz limiti denir. Bu limit değer, rüzgar enerjisi elektrik santrallerinin en fazla %59.3 verime sahip olacaklarını göstermektedir. Şekil 4.2'de farklı rüzgar türbinleri için kanat uç hız oranı olan λ ' nın (λ = wR/Vo) Cp 'ye göre değişimi verilmiştir. Şekil 4.2 Güç katsayısı CP 'nin kanat uç hız oranı λ 'ya göre değişimi 4.3 Rüzgar enerjisinden faydalanma yolları Rüzgar enerjisinden genel olarak mekanik enerji üretimi ve elektrik enerjisi üretimi şeklinde yararlanılmaktadır. Rüzgar enerjisinin şaft gücünden faydalanılarak elde edilen mekanik enerji, su pompalama, tahıl öğütme, kesme, sıkıştırma ve yağ çıkarma alanlarında kullanılmaktadır. Rüzgar enerjili pompalama sistemlerinin elektrik veya dizelli pompalara göre bir çok avantajları vardır. Rüzgar enerjisi doğada bol miktarda 84 bulunan bedava bir enerji kaynağıdır. Karmaşık bir yapıya sahip olmadıkları için bakım ve onarım masrafları da yok denecek kadar azdır. Rüzgar enerjili su pompalama sistemlerinde hem düşük hem de yüksek hızlı türbinler kullanılabilir. Çok kanatlı rüzgar türbinleri düşük hızda çalışırlar. Şekil 4.3'de düşük hızlı bir su pompalama sistemi görülmektedir. Bu sistemde genellikle tek hareketli pompa kullanılır. Rüzgar türbini milinden hareket alan bir krank sistemiyle pistonun aşağı yukarı hareketiyle su pompalama işlemi gerçekleşir. Şekil 4.3 Düşük hızlı rüzgar türbini ve su pompalama sistemi Şekil 4.4'de ise yüksek hızlı bir sistem görülmektedir. Başlangıç momentinin düşük olması nedeniyle bu sistemlerde direkt olarak pistonlu pompa kullanılmaz. Yüksek dönme hızına sahip oldukları için ya santrifuj ya da helisel pompa kullanılır. 85 Şekil 4.4 Yüksek hızlı rüzgar türbinine sahip su pompalama sistemi Gerekli su, arzu edilen zamanda ve yeterli miktarda temin edilemediği takdirde, su depolama tesislerinin yapılması gerekmektedir. Fazla suyun araziden uzaklaştırılması için kurulan rüzgar türbinleri de aynı sisteme dayanmaktadır. Rüzgar enerjisinin değirmenlerde kullanılması da pompalama ve depolama yoluyla olmaktadır. Rüzgar enerjisinden faydalanarak üretilen elektrik özellikle; enterkonnekte sistemin ulaşamadığı uzak yerleşim merkezlerinde, kırsal alanlarda, ormanlık ve dağlık bölgelerde, adalarda, deniz fenerlerinde, çiftliklerde, yangın kulelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde büyük güçlü rüzgar santralleri, elektrik şebekesine bağlı ve birden fazla türbin içeren rüzgar çiftlikleri biçimindedir. Rüzgar santrallinin ana yapı elemanı rüzgar türbinidir. Bir rüzgar türbini, çevredeki engellerin rüzgarı kesemeyeceği yükseklikte bir kule ve bunun üzerine yerleştirilmiş bir gövde ve rotordan oluşmaktadır. Kulenin yüksek olması, ayrıca yeryüzüne yakın rüzgar profilinin yüksek hızdaki kısmını kullanmaya da yarar. Rüzgarın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Rotor milinin devir hareketi hızlandırılarak, gövdedeki jeneratöre aktarılır. Elektrik üretim amaçlı modern rüzgar türbinlerinin çoğunluğu yatay eksenli olup rotor kanat sayıları bir ile üç arasında değişmektedir. 86 Rotor çapları 1–75 m arasındadır. Rüzgar doğrultusuna yönlenmeyi bir rüzgar gülünün kumanda ettiği bir servo mekanizma sağlar. Aerojeneratörlerin gücü 100 W ile birkaç MW arasında değişir. Danimarka başta olmak üzere Japonya, İspanya ve Amerika markalı türbinler 300, 450, 500, 600, 650, 750 kW güçlerinde sıkça kullanılmaktadır. Yüksek rüzgar gücüne sahip vadilerde 1 MW ile 1.5 MW gücünde türbinler kullanılmaktadır. Normal arazi şartlarında ise hem üretim hem de fiyat açısından 600 kW’lik türbinler tercih edilmektedir. Şekil 4.5'de rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi görülmektedir. Şekil 4.5 Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi [Twidell, 1990] 4.4 Dünyada ve Türkiye'de rüzgar enerjisi çalışmaları Rüzgar enerjisinden elektrik elde edilmesinin yaygınlaşmaya başlamasının başlıca nedeni; dönüşüm sistemlerinin ve elektrik enerjisi üretim maliyetlerinin yeni fosilyakıtlı güç santralleriyle rekabet edebilecek düzeye inmiş olmasıdır. Rüzgar enerjisi sistemlerinin geliştirilmesi üzerindeki araştırmalar; türbin sistemlerinin aerodinamik ve mekanik performanslarının artırılması, dayanıklılıklarının ve yorulma ömürlerinin geliştirilmesi, rüzgar alanlarının modellenmesi ve simule edilmesi ve ayrıca açık denizde kurulması düşünülen türbinler üzerinde yoğunlaşmıştır. Danimarka’nın ilk deniz rüzgar çiftliği uygulaması kıyıdan6 km açıkta kurulmuştur. Her biri 500 kW’dan oluşan bu çiftliğin toplam gücü 5 MW olup yaklaşık 4000 evin elektrik gereksinimini 87 karşılayacak düzeydedir. Bu çiftlikten elde edilen elektrikle 6000 ton kömürün yakılması ve 12.500 ton CO2 'in salımı önlenmektedir. Kurulan rüzgar türbini bir yıldan kısa sürede kendi imalatı için harcanan paranın karşılığı olan enerjiyi üretmektedir. Türbinlerin ömrü ortalama 20 yıl olarak tahmin edilmektedir. Kalan 19 yıllık süre net üretim zamanıdır. Ayrıca rüzgar çiftliği kurulduktan sonra yapılan işletme ve bakım harcamaları son derece düşüktür. Tablo 4.1’de ekonomiklik açıdan rüzgar enerjisi ve diğer enerji üretim sistemleri karşılaştırılmıştır. Gelişen teknolojiye ve gerçekçi fizibilite çalışmalarına bağlı olarak rüzgardan elde edilen enerjinin maliyeti sürekli düşmektedir. 1980 yılında rüzgardan elde edilen 1 kWh enerjinin maliyeti 30 cent’ken 1991’de bu değer 6 cent’e düşmüştür. Tablo 4.1 Enerji üretim sistemlerinin enerji maliyetleri Güç Kaynağı 1 kWh Enerjinin Maliyeti (cent) Min Max Ortalama 6.0 7.8 6.9 Solar termal hibrit 5.3 9.3 7.3 Nükleer 4.4 5.0 4.7 Doğal Gaz 5.2 18.9 12.1 Hidrolik 4.7 7.2 6.0 Rüzgar 4.5 7.0 5.8 Kömür 4.3 6.8 5.6 Jeotermal 4.2 7.9 6.1 Biyomas Dünya 1998 yılı sonu itibariyle 9839 MW kurulu rüzgar gücüne ulaşmıştır. Dünyanın en büyük kurulu gücü 6469 MW ile Avrupa’da yer almaktadır. Tablo 4.2‘de ülkelerin kurulu rüzgar gücü ve tesis edilen kapasite değerleri verilmiştir. Almanya 794 MW artış ile 1998 yılında önde gelmektedir. Bu artış ile ülkenin toplam rüzgar gücü 2875 MW’a çıkmıştır. Rüzgar santrallerin elektrik üretimi ülkenin en büyük iki kömür santralının üretimine eşittir. 1981’de kilovat başına 2600 dolar olan rüzgar gücü maliyetleri daha büyük türbinler, daha etkin imalat ve montaj sayesinde 1998 yılında kilovat başına 800 dolara düşmüştür. Türkiye'nin rüzgar enerjisi potansiyeli yeterli ölçümler yapılmadığından dolayı kesin olarak bilinmemektedir. Türkiye'nin toplam rüzgar enerji teknik potansiyeli sadece kara kısmı için 40.000 ile 80.000 MW düzeyinde olduğu tahmin edilmektedir [ ]. Yerleşim alanları dışında 10 m yükseklikte rüzgar hızı yıllık ortalaması Ege Bölgesi ve diğer kıyı alanlarımızda 4.5-5.6 m/sn, iç kesimlerde ise 3.4-4.6 m/sn arasındadır. 88 Antakya, Bandırma, Bergama, Bodrum, Bozcaada, Çanakkale, Çeşme, Çorlu, Gökçeada, İnebolu, Mardin ve Sinop rüzgar enerjisince zengin yörelerimizdir. İzmir Çeşmede 55 kW gücünde rüzgar jeneratörü bir turistik tesisde kullanılmaktadır. 1998 yılında Alaçatı' nın Germiyen Köyünde üç rüzgar türbininden oluşan 1.7 MW kapasiteli özel sektöre ait bir rüzgar santralı kurulmuştur. Tesis edilen 7.2 MW kapasiteli Alaçatı Rüzgar Güç santrali 1998 yılında üretime başlamıştır. Halen Türkiye’de çeşitli özel sektör yatırımcılarınca geliştirilen ve yakın gelecekte gerçekleşebilecek rüzgar güç santral kapasitesi 700 MW’a ulaşmıştır. 89 Tablo 4.2 Dünyanın Kurulu Rüzgar Gücü 1998 Sonu Kurulu Gücü (MW) ABD Kanada Kosta Rika Arjantin Meksika Brezilya Amerika Toplamı Danimarka Finlandiya Fransa Almanya Yunanistan İrlanda İtalya Hollonda Portekiz İspanya İsveç İngiltere Avusturya Türkiye Norveç Belçika Çek Cumh. İsviçre Lüksemburg Avrupa Toplamı Çin İran Hindistan İsrail Ukrayna Japonya Rusya Asya Toplamı 1820 82 26 12 3 17 1960 1448 17 19 2875 39 73 154 361 60 707 165 333 30 9 9 8 7 3 9 6276 214 11 968 6 5 40 5 1249 1998 Yılında Tesis Edilen Kapasite (MW) 147 57 6 3 1 14 228 300 5 9 794 10 51 51 42 22 195 43 14 10 9 5 1 0 0 7 1523 48 0 28 0 0 22 0 98 Büyüme Hızı (%) 8.8 228.0 30.0 33.3 50.0 466.7 26.1 45.0 90.0 38.2 34.5 49.5 49.5 13.2 57.9 38.1 35.3 4.4 47.7 132.1 12.0 0.0 0.0 350.0 28.9 0.0 0.0 3.0 0.0 122.2 0.0 90 Avustralya Mısır Y.Zelanda Kıtalar Toplamı DÜNYA TOPLAMI 17 5 5 27 9512 6 0 1 7 54.5 0.0 25.0 1856 5. Jeotermal enerji 5.1 Giriş Jeotermal enerji, yer kabuğunun işletilebilir derinliklerinde birikmiş olan ısının meydana getirdiği bir enerji türüdür. Yeraltına sızan sular burada gözenekli ve geçirimli özellikleri bulunan hazne kayalarda toplanır. Hazne kayalar üstünde geçirimsiz örtü kayalar vardır. Isı,, yerkabuğundaki kırık veya çatlaklarda dolaşan sular vasıtasıyla yeryüzüne aktarılır. Eğer yerkabuğunda doğal su dolaşımını sağlayacak yeterli kırık yoksa ve ısı birikimi tespit edilirse, oluşturulacak yapay kırıklardan dolaştırılacak akışkanlardan enerji elde edilmesi mümkündür. Jeotermal enerji alanları, etkin depremlerin olduğu tektonik bakımdan aktif olan genç volkanların bulunduğu kuşaklardır. Yeryüzüne ulaşan buhar ve sıcak suyun içerdiği enerjiden ya doğrudan ya da başka enerji türlerine dönüştürülerek yaralanılmaktadır. Jeotermal enerji kullanımındaki en büyük problem bu enerji kaynağının oldukça yayılmış bir karaktere sahip olmasıdır. Dünyadan uzaya yılda yaklaşık 4x1017 KJ jeotermal enerji yayılmaktadır. Eğer biz bu enerjiyi kullanabilseydik dünyanın tüm enerji ihtiyacını 20 kez karşılayabilirdik. Yalnız bu miktar tüm dünya yüzeyine yayıldığından metrekare başına sadece 0.063 W enerji düşer ki bu güneşten gelen enerjiden çok daha azdır. Eğer jeotermal enerji tüm yer kabuğuna eşit olarak dağılmış olsaydı, belki de faydalı enerji olarak kullanılma olasılığı olmayacaktı. 5.2 Jeotermal enerji kaynakları Genellikle tektonik levha sınırları diye bilinen ve depremlerin sık ve şiddetli olmasıyla veya volkanik faaliyetlerle de tanımlanan bölgelerde, yer kabuğunda kırıklar oluştuğundan bu bölgeler genellikle jeotermal enerji açısından zengin bölgelerdir. Jeotermal enerji kaynakları şu şekilde sınıflandırılabilir: (a) Normal ısı gradyanlı sahalar: Jeotermal olarak yüksek ısı akısı gösteren alanların dışındaki alanlardır. Bu alanlarda yaklaşık her 100 metrede sıcaklık 2.5 °C artar. Eğer 91 150°C’lik bir sıcaklık elde etmek istiyorsak yaklaşık 5000m derinliğinde kuyu kazılması gerekir. Bu uygulama şu anda ekonomik değildir. (b) Radyojenik sahalar: Bu tür bölgeler kayaların içerisindeki radyoaktf elementlerin bozulmasıyla ortaya çıkan ısıyla, sıcaklıkları normal ısı gradyanının üzerine çıkmış bölgelerdir. Genellikle granit gibi kaya tabakalarında toplanan bu enerji, granit tabakalarının su geçirgenliği az olduğundan doğal olarak suya aktarılma olasılığı pek yüksek değildir. (c) Yüksek ısı akışlı bölgeler: Yeraltından yeryüzüne ısı transferi iletim mekanizmasıyla olur. Dünyanın bazı bölgelerinde yerkabuğunun ısıl geçirgenlik katsayısı çok düşük olabilir. Eğer bu yüksek ısı akışı ile bir arada bulunuyorsa sıcaklıklar normal gradyanın üzerine çıkabilir. Örneğin Macaristan'da sıcaklık değişimi 40-75 °C/km civarındadır. Bu değer normal gradyanın yaklaşık üç misli civarındadır. Bu tür yüksek ısı akışlarının oluşmasının sebebi bu bölgelerde yer kabuğunun göreceli olarak ince olması veya kabuğun içine sıkışmış yüzeye yakın bir magma tabakasının olması olabilir. (d) Basınç altındaki jeotermal sahalar: Bazı sedimenter kaya oluşumlarının arasında sıkışmış fosil su kaynakları bulunabilir. Bu tür su kaynakları basınç olarak normal basınç gradyanının üzerinde değerlere sahip olabilir. Eğer basınç gradyanı metre başına 10.5 kPa değerinin üzerindeyse bu tür alanlara basınç altında jeotermal alanlar adı verilir. Bu tür alanların çekici tarafı genelde basınç, sıcaklık ve metan kaynakları olarak üç enerji kaynağının kullanılmasını sağlayacak bir ortam oluşturmasıdır. (e) Nokta ısı kaynakları: Bu tür ısı kaynakları en kolay kullanılabilen jeotermal enerji kaynaklarıdır. Termal kaynak, ya yerin içinde oldukça yüksekte bulunan bir magma bölgesi veya çatlaklar boyunca yükselmiş bir magma (ergimiş bazalt) tabakasıdır. Genelde yerin 7-15 km altında bulunur. Bu magmadan direk olarak enerji sağlanması için çalışmalar varsa da eğer çatlaklardan kaynaklanan su sızıntıları magmaya yakın bir bölgede gözenekli kayaçlar içerisinde bir su reservuarı oluşturabiliyorsa, su buhar enerji elde edilebilmesi için daha elverişli bir kaynak oluşturur. Şekil 5.1 bu tür bir kaynağın yapısını göstermektedir. 92 Şekil 5.1 Jeotermal – hidrotermal kaynak ve oluşumu için gerekli yapı Kaynak kapasitelerinin incelenmesi için bir çok yöntem mevcuttur. Bunlar jeolojik etütler, hidroloji, jeokimya ve jeofizik etütleridir. Başlıca Jeofizik etütler; ısı akış ölçümleri, elektrik direnç, elektromanyetik, gravity ve pasif sismik ölçümler olarak sıralanabilir. Fakat her zaman ancak kuyu açımlarından sonra kaynağın gerçek kapasitesini anlayabiliriz. Genel olarak kuyudan çıkan buhar ve su yüzdesine göre jeotermal kaynaklar kuru buhar, buhar çoğunluklu karışım ve su çoğunluklu karışım olmak üzere üç temel kısma ayrılabilir. Hidrotermal kuyulardan çıkan sıvı aslında sadece sudan ibaret değildir. Kimyasal olarak çok kompleks bir yapı içerir. İçinde çok miktarda ergimiş mineraller ve gazlar vardır. Bu mineral ve gaz miktarlarına göre bu sıvıları alkali klorik, asit sulfat, asit sülfat-klorat ve bikarbonat gibi gruplara ayırabiliriz. Jeotermal sıvıların kapsadıkları başlıca gazlar ise karbondioksit, hidrojensülfit, metan, hidrojen, azot, oksijen, amonyak, argon, neon, kripton, zenon olarak sıralanabilir. Bu kimyasal maddeler jeotermal enerjinin kullanımındaki en önemli zorluğu oluştururlar. Bilhassa suda bulunan silikat ve kalsitler boruların tıkanmasına sebep olur. Genellikle jeotermal 93 kaynaklar 10 000 – 25000 ppm civarında katı ergimiş madde içerirler. Bu miktarın bazı özel bölgelerde 300000 ppm bulduğu da gözlenmiştir. 5.3 Jeotermal enerji kullanım alanları Jeotermal akışkanın sıcaklığına bağlı olarak kullanım alanları Tablo 5.1‘de verilmektedir. Yeryüzüne çıkan jeotermal akışkandan İtalya, Amerika, Japonya, Filipinler ve Meksika borikasit, amonyum bikarbonat, ağır su (döteryum oksit), amonyum sülfat, potasyum klorür gibi kimyasal maddeler elde etmektedirler. Jeotermal akışkan sıcaklığına bağlı olarak jeotermal enerjinin kullanım alanları sıralanırsa;(Rinehart,1980) 180°C - Elektrik enerjisi üretimi, Amonyak absorbsiyonu ile soğutma yüksek konsantrasyonda buharlaştırma, kağıt sanayi 170°C – Elektrik üretimi, ağır su ve hidrojen sülfit prosesleri, Diatomik malzeme kurutma 160°C – Konvensiyel güç üretimi, kereste ve balık kurutma. 150°C – Konvensiyel güç üretimi, bayer yöntemi ile alüminyum eldesi . 140°C - Konvensiyel güç üretimi, tarım ürünlerinin hızlı kurutulması. 130°C - Konvensiyel güç üretimi, şeker rafinasyonunda buharlaştırma 120°C - Distilasyon ile temiz su eldesi, Tuz elde edilmesi, Şeker sanayii, Damıtma prosesleri 110°C - Çok yönlü buharlaştırma, yün yıkama ve kurutma 100°C - Meyve, sebze ve küspe kurutma 90°C - Hacim ısıtılması 80°C - Lityum bromür yöntemi ile soğutma 70°C - Endüstri proses suyu 60°C - Sera, ahır, kümes ısıtılması 50°C - Mantar yetiştirme 40°C - Toprak ısıtma 30°C - Yüzme havuzları, turizm, sağlık amaçlı banyolar Jeotermal akışkanın kimyasal özelliklerinden dolayı korozif maddelerin, kalıntı bırakan veya yoğunlaşmayan bileşenlerin doğrudan sisteme gönderilmesi çeşitli problemlere neden olmaktadır. Bu nedenle kullanılan akışkanın kimyasal özelliklerine uygun inhibitörlerin seçimi ve uygun ekipman, sistem dizaynı ile jeotermal akışkanın kabuklaşma ve korrozyon sorunu çözülerek verimli olarak kullanmak mümkündür. 5.4 Jeotermal enerjiden elektrik üretimi 94 Jeotermal enerjiden elektrik enerjisi üretiminde çeşitli santral tipleri kullanılmaktadır. Şu anda kullanılmakta olan jeotermal santral tiplerini şu şekilde sınıflandırmamız mümkündür: (a) Kuru Buharlı Jeotermal Santraller: Tüm jeotermal santral türleri arasında en basit olanı kuru buhar santralleridir. Bu tür santraller temel olarak doymuş veya kızgın jeotermal buhar bulunan bölgelerde kullanılabilir. Dünyadaki doymuş veya kızgın jeotermal sıvı bulunan jeotermal alanlar oldukça sınırlıdır. Başlıcaları; Kalifornia Geyser (USA), Lorderello ve Monte Amita (İtalya) ve Matsukawa (Japonya). (b) Buhar Ayırmalı (Tek faz dönüşümlü) Santraller: Yeryüzüne pompalanmadan direkt olarak çıkartılan jeotermal sıvıların pek çoğu iki fazlı (buhar ve sıvı) olarak yer yüzüne ulaşır. Bu iki fazdaki buhar miktarı kaynak özelliklerine ve kuyu başı basıncına göre değişiklikler gösterebilir. Genellikle jeotermal akışkan kaynakta sıvı fazdadır. Fakat kuyu çıkışında bir basınç düşümünden dolayı buharlaşır. Bundan dolayı bu tür kaynağın kullanıldığı santrallere tek faz dönüşümlü santraller adı verilir. Şekil 5.2’de tek faz dönüşümlü bir jeotermal santralın basitleştirilmiş akış diyagramı görülmektedir. Kuyu çıkışındaki iki fazlı jeotermal sıvı ayırıcıda fazlarına ayrıldıktan sonra buhar fazı buhar türbinini döndürme amacıyla kullanılır. Sıvı fazındaki jeotermal akışkan re-enjeksiyonla kuyulara tekrar geri basılır. Bu tür bir santralın kullanım verimi kuru buharlı bir santralın kullanım verimiyle kıyaslandığında çok düşüktür. Bu tür santrallere örnek olarak Türkiye'deki Kızıldere jeotermal santralı verilebilir. Yalnız bu santralde jeotermal sıvı kaynağa geri basılmamaktadır. Jeotermal sıvının kaynağa geri basılması jeotermal kaynağın ömrünü uzatması bakımından önemlidir. Ayrıca Cerro Prietto (Meksika); Otake , Onuma, Onikobe, Kakkonda (Japonya); Ahuchapan (El Salvador), Pauzhetka (Rusya) 'da bulunan santraller bu türün örnekleri arasında sıralanabilir. 95 Şekil 5.2 Buhar ayırmalı (tek faz değişimli) bir santralin basitleştirilmiş şematik görünüşü (c) Buhar Ayırma ve Su Buharlaştırmalı (Çift Faz Dönüşümlü) Santraller: Bu santralın buhar ayırmalı santralden temel farkı separatörden çıkan jeotermal sıvının basınç düşürücü (faz dönüştürücü) ikinci bir seperatörden geçirilerek ilave düşük basınçlı buhar elde edilmesi ve bu ilave buharın ikinci kademe bir türbinde işe dönüştürülmesidir. Bu yüzden bu çevrim çift faz dönüşümlü (birinci faz dönüşümü kuyu içerisinde olmaktadır) santraller olarak da anılırlar. Bu tür santrallere örnek olarak Hatchobaru (Japonya), Krafla (İzlanda) santralleri verilebilir. Toplam kullanım verimi tek faz dönüşümlü sistemlere göre biraz daha yüksektir. (d) Buhar Ayırma ve Çok Kademeli Su Buharlaştırmalı (Çok faz dönüşümlü) Santraller: Bu tür santrallerde üç veya daha fazla basınç düşümü ve faz ayrımı oluşturulur. Faz dönüşüm sayısı arttıkça kullanım veriminde artış gözlenmekle birlikte hem sistem daha kompleks hale geldiğinden hem de maliyetler arttığından toplam faz dönüştürme sayısının ekonomik analizle belirlenmesi gerekir. Bu tür santraller şu anda ekonomik olarak pek cazip görünmemektedir. Türünün tek örneği olan Wrakei (Yeni Zellanda) santralının bu tür için seçilmiş olmasının temel nedeni bir kimya tesisi için jeotermal sıvıdan kimyasal madde elde edilmesidir. 96 (e) Kuyudan Pompayla Jeotermal sıvı çekilen sıvı buharlaştırmalı (tek faz dönüşümlü) santraller: Eğer kuyunun içine pompa yerleştirilmemiş ve jeotermal akışkan direkt basınçlı sıvı olarak kuyudan çekiliyorsa, yer altında ilk basınç düşümü gerçekleşemeyecektir. Bu yüzden pompa çıkışında faz dönüşüm işlemi basınç düşürücü bir seperatörle gerçekleştirilir. Oluşan buhar aynı seperatörde ayrıldıktan sonra türbine gönderilir. Bu tür sistemlere örnek olarak East Mesa Republic (USA) jeotermal santralı verilebilir (f) İkinci Bir Termodinamik Çevrim Sıvısı Kullanan (Bınarı Tipi) Santraller: Bu tür santrallerde jeotermal akışkanın enerjisi ikincil bir sıvıya aktarılır. İkincil sıvı olarak freonlar veya hidrokarbonlar kullanılabilir. Bu çevrimin kritik parametresi jeotermal sıvıdan ikincil sıvıya ısı aktarımı yapan ısı değiştirgecidir. Burada ısı eşanjörü çalışma şartlarının çok iyi denetlenmesi, ikincil bir yedek ısı eşanjörü imali gibi tedbirler uygulanmalıdır. Diğer bir uygulama da direk temaslı ısı değiştirgeçlerinin kullanılmasıdır. Direk temaslı eşanjörlerde jeotermal sıvı ve jeotermal sıvıyla direk olarak karışmayan ikincil çevrim sıvısı ters akışlı olarak aynı reaktöre gönderilir. Buharlaşan ikincil sıvı rektörün üst bölgesinden toplanarak ikincil (binari) sıvıyla çalışan türbine gönderilir. İkincil sıvı termodinamik çevrimi temel olarak kapalı bir çevrimdir. Bu yüzden normal gövde boru tipi kondenser düşük basınç değerleriyle rahatlıkla kullanılabilir. Binari santrallerinin kullanılabilirlilik verimi faz dönüşümü santrallerine göre oldukça yüksektir. Genellikle ikincil sıvılar sistemde yüksek basınçlar altında bulunduğundan türbinler, su buharı türbinlerine göre daha küçüktür. İlave ısı eşanjörü maliyeti sistemi pahalı kılan başlıca unsur olarak görülebilir. Binari (ikincil sıvı) santrallerinin faz dönüşüm santrallerine göre avantaj ve dezavantajlarını şöyle sıralayabiliriz : Avantajları : Düşük sıcaklıklı jeotermal kaynakların kullanılmasına daha elverişli olmaları Türbin boyutunun küçüklüğü ve daha ucuz olması Yüksek basınçta çalışma Hava sızması gibi problemlerin yaşanmaması Çalışma sıvısının korozif olmaması Isantropik türbin verimlerinin daha yüksek olması Türbin genleşmesinin tamamen kuru bölgede gerçekleşmesi, böylece toplam türbin ömrünün uzatılması Daha düşük kondenser basıncı, daha yüksek sistem verimleri Dezavantajları : 97 İkincil sıvı maliyetlerinin yüksekliği Kaçaklara müsaade edilemeyişi Isı değiştirgeçlerinin pahalı oluşu Toplam jeotermal akışkan akış oranlarının yüksek olma gereksinimi İkincil sıvı olarak hidrokarbon kullanılırsa, hidrokarbonun yanıcı olma riski taşıması İkincil sıvı olarak freonlar kullanıldığında ozon tabakasına zarar vermeyecek sıvılar seçme zorunluğu olması Rusya Freon 12 ile çalışan bir binari tipi jeotermal santralı Kamçatka yarımadasındaki Patunka'da başarıyla denemiştir. 1967 yılında kurulan bu santral birkaç yıl çalıştıktan sonra sökülmüştür. Japonlar Otake ve Mori’de bu tür santraller çalıştırmaktadır. ABD East Mesa'da izobütan, propan kullanan bir santral çalışmaktadır. Çalışan ilk jeotermal santral jeotermal sıvının enerjisini bir ısı eşanjörü ile saf suya aktaran bir jeotermal sıvı/saf su binari sitemi idi. Bu santral İtalya'da çalıştırılmıştır. Daha sonra modern türbinlerin geliştirilmesiyle bu uygulamaya son verilmiş ve jeotermal buhar direk olarak kullanılmaya başlanmıştır. (g) Hibrid Fosil /Jeotermal Santraller: Jeotermal enerji santrallerinin en büyük problemi jeotermal sıvıların sıcaklıklarının düşük olması nedeniyle sistem verimlerinin düşük olması ve santrallerden alınan toplam gücün sınırlı kalmasıdır. Bu yüzden birim enerji olarak yatırım maliyetleri de yüksek olmaktadır. Jeotermal kaynakların elektrik enerjisi elde edilmesinde daha etkili kullanılmasının yollarından birisi, klasik fosil enerji santralleriyle hibrit olarak kullanılmalarıdır. Böyle bir santralın en büyük dezavantajı fosil santral yakıtının ve jeotermal enerjinin aynı bölgede bulunma olasılıklarının düşüklüğüdür. Şu anda ülkemizde yap işlet devret modeliyle kurulan doğal gaz santrallerinin çoğalması ve doğal gazın dağıtımının ülke boyutunda dağıtılması hibrit jeotermal santrallerin ülkemiz için geçerli bir alternatif olmasını getirebilir. Doğal gaz tek başına pahalı bir santral yakıtıdır. Özel şirketler tarafından ucuz ilk yatırım maliyeti ve küçük boyutta ısı – elektrik santralleri olarak kurulan bu üniteler eğer jeotermal kaynaklarla birleştirilebilirse ham daha ekonomik olarak kullanılabilecekler, hem de jeotermal enerji kaynaklarının kullanımlarını fizibil hale getirebileceklerdir. 5.5 Türkiye'nin ve dünyanın jeotermal enerji potansiyeli 98 Türkiye jeotermal zenginlik açısından dünyanın yedinci ülkesidir. Jeotermal enerji aramaları, 1962 yılında MTA Genel Müdürlüğü ’nün termal sulara yönelik envanter çalışması ile başlamış, ilk kuyu 1963 yılında İzmir Balçova’da açılmış ve 40 m derinlikte 124 °C akışkan (sıcak su + buhar) bulunmuştur. Ülkemizde yüzey sıcaklığı 40°C’nin üzerinde 140 adet jeotermal saha vardır. Bu sahaların 136 tanesi merkezi ısıtmaya, sera ısıtmasına, endüstriyel proses ısı kullanımına ve kaplıca kullanımına uygundur. Diğer 4 sahanın teknik ve ekonomik olarak elektrik üretimine uygun olduğu saptanmıştır. Jeotermal enerjiden ilk ve tek elektrik üretim santrali Kızıldere’de 1984 yılında kurulmuştur. 20.4 MW kurulu gücü ile dünyadaki jeotermal santraller arasında 14. sırayı almasına karşın 12 MW kapasite ile çalıştırılmaktadır. 200°C’de üretilen su elektrik enerjisi üretiminde kullanıldıktan sonra sera ısıtması ve kuru buz üretiminde kullanılmaktadır. Ayrıca santralde buhardan ayrıştırılan karbondioksit gazı atmosfere verilmeyip santrale entegre olan Karboğaz Şirketi tarafından 40.000 ton sıvı CO2 ve kuru buza dönüştürülmektedir. Bu üretim ile Türkiye’ nin karbondioksit ihtiyacının %50 si bu santral vasıtasıyla karşılanmaktadır. Elektrik üretimine aday bir diğer sahalar Aydın-Germencik (200-232°C), Çanakkale-Tuzla (173°C) ve Aydın-Salavatlı (171°C) sahasıdır. Bugüne kadar jeotermal enerjinin başlıca tüketim alanı ısıtmacılık (konut, sera), elektrik üretimi ve sağlık turizmi olmuştur. Türkiye’deki jeotermal enerji tüketiminin %87’si ısıtma amaçlı kullanılmaktadır. Türkiye'nin görülebilir mevcut toplam jeotermal ısı kapasitesi 2264 MW civarındadır. Halen Türkiye’de 50000 konut eşdeğeri jeotermal ısıtma, 20000 m2 sera ısıtması gerçekleştirilmektedir. Türkiye’de jeotermal enerji ile bazı büyük çaplı merkezi ısıtma uygulamaları aşağıda verilmektedir. Gönen’de 1500 konut, 56 adet tabakhane, 200 m2 sera, 600 yataklı otel ısıtması ve tabakhanelerin sıcak su proses suyu ihtiyacını karşılayan sistemin kapasitesi 16.2 MW’dır. İzmir’de Tıp Fakültesi (30.000 m2), Balçova Jeotermal Sahasından üretilen akışkanla 1983’den beri ısıtılmaktadır. İlave 110.000 m2 ‘lik ısıtma sistemi ile sıcak su kullanımı durumunda sistemin toplam kapasitesi 17.8 MW olmaktadır. Türkiye’de ilk kuyu içi eşanjör uygulaması 1981 yılında Balçova Termal Tesislerinde gerçekleştirilmiştir. Bu tesis hotel, açık ve kapalı yüzme havuzu ve kür merkezini içermektedir. Simav’da 3500 konut, toplam 730 yataklı termal kompleks ve 80.000 m2 alana sahip bir seranın toplam kapasitesi 66 MW’dır. Kırşehir’de 1800 konut ve 530 yatak kapasiteli 5 adet oteli ısıtan merkezi ısıtma sisteminin kapasitesi 18.3 MW’dır. 99 Jeotermal enerjinin elektrik üretiminde kullanılması, ekonomik açıdan en önemli olan kullanım şeklidir. Elektrik enerjisi elde edebilmek için gerekli ön araştırmaların ve tesis masraflarının çok yüksek olmasına karşın kurulduktan sonra çok düşük maliyetle işletilmesi de en büyük avantajlarındandır. Tablo 5.1'de ülkelerin kurulu jeotermal elektrik üretim kapasiteleri verilmektedir. 1996 yılı itibariyle dünyada toplam 8600 MW gücünde jeotermal santral kurulu gücü vardır. Dünyada jeotermal enerjinin elektrik santralleri dışında kullanımı, 1996 yılı itibariyle toplam 11300 MW güce ulaşmıştır. Amerika Birleşik Devletlerinde 1874 MW, Japonya’da 3321 MW, Çin’de 1915 MW, Macaristan 340 MW, İzlanda’da 1443 MW, Fransa’da 599 MW, İtalya’da 307 MW ve Türkiye’de 635 MW düzeyindedir. Tablo 5.1 Dünyada kurulu Jeotermal güç sistemleri ÜLKE Jeotermal Santrallerden Elektrik Üretim Kapasitesi (MW) 1990 1995 0.00 0.10 Avustralya 19.20 28.78 Çin 0.00 55.00 Kosta Rika 95.00 105.00 El Salvador 4.20 4.20 France 44.60 49.40 İzlanda 144.75 309.75 Endonezya 545.00 631.70 İtalya 214.60 413.70 Japonya 45.00 45.00 Kenya 700.0 753.00 Meksika 283.20 286.00 Yeni Zelanda 35.00 35.00 Nikorogua 891.0 1.191.00 Filipinler 3.0 5.00 Portekiz 11.0 11.00 Rusya 0.30 0.30 Tayland 20.60 20.60 Türkiye 2774.60 2816.70 Amerika Toplam 5831.72 6761.98 100 6. Biyokütle enerjisi 6.1 Giriş Biyokütle, yeşil bitkilerin güneş enerjisini fotosentez yolu ile kimyasal enerjiye dönüştürerek depolaması sonucu meydana gelen biyolojik kütle ve buna bağlı organik madde kaynakları olarak tanımlanmaktadır. Karbon içeren organik maddeler oksijenle reaksiyona girdiklerinde ısı açığa çıkartırlar. Şekil 6.1'de doğal biyokütle çevrimi görülmektedir. Şekil 6.1 Doğal biyokütle çevrimi Biosferdeki kuru maddenin biyokütlesel çevrimi yaklaşık 250X109 ton/yıl olup bunun karbon miktarı 100X109 ton/yıl 'dır. Enerji içeriği ise 2X1021 J/yıl (0.7 X 1014 W)' dır [Twidell, 1990]. Üretilen toplam biyokütlenin ağırlıkça %0.5 'i insan yiyeceğinden sağlanmaktadır. Organik madde ihtiva eden artıkların mikrobiyolojik yönden değerlendirilmesi hem çevre kirliliğine yol açmaması, hem de temiz enerji üretimi sağlaması bakımından önem taşımaktadır. Özellikte gelişmekte olan ülkelerde kullanımı en yaygın olan kaynak biyokütledir. Dünya enerji tüketiminin yaklaşık % 15’i, gelişmekte olan ülkelerde ise enerji tüketiminin yaklaşık %43’ü biyokütleden sağlanmaktadır. Biyokütle; her yerde yetiştirebilmesi, çevre korunmasına katkısı, elektrik üretimi, kimyasal madde ve özellikle taşıtlar için yakıt olabilmesi nedeni ile stratejik bir enerji kaynağı olarak sayılmaktadır. Biyokütle kaynakları arasında yer alan odun, hayvan ve bitki artıkları ülkemizde uzun yıllardan beri (özellikle kırsal kesimdeki konutlarda) alan ısıtma ve yemek pişirme amaçlı olarak kullanılmaktadır. Bu geleneksel enerji kaynağı konutlardaki enerji tüketiminin % 40 kadarını oluşturmaktadır. 101 6.2 Biyokütle kaynakları Enerji üretiminde kullanılabilecek biyokütle kaynaklarını; bitkisel kaynaklar, hayvansal atıklar, şehir ve endüstri atıkları şeklinde sınıflandırabiliriz. (a) Bitkisel kaynaklar: Bitkisel kaynaklar olarak; orman ürünlerini, 5-10 yıl arasında büyüyen ağaç türlerini içeren enerji ormanlarını, bazı su otlarını, algleri ve enerji (C4) bitkilerini sayabiliriz. Enerji bitkileri olan tatlı sorghum, şeker kamışı, mısır gibi bitkiler; diğer bitkilere göre CO2 ve suyu daha iyi kullanmakta, kuraklığa karşı daha dayanıklı olmakta ve fotosentetik verimleri daha yüksek bulunmaktadır. Bu bitkilerden alkol ve değişik yakıtlar üretilmektedir. Türkiye’de; bitki artıkları, fındık ve ceviz kabuğu, prina, ayçiçeği kabuğu, çiğit ve mısır gibi artıklar enerji amacıyla değerlendirilmektedir. Kuru biyokütlenin ısıl değeri 3800-4300 kcal/kg arasında değişmektedir. Biyokütleden yakma yolu ile enerji elde edilmesinde yanma verimi orta kaliteli bir kömüre eşittir. Biyokütlenin çoğu kömürden daha az miktarda kül ve kükürt içermektedir. Biyokütlenin enerji üretimi amacıyla geniş oranda kullanımını engelleyen bazı problemler vardır. Bunlar; biyokütle kaynağının yoğunluğu nedeni ile nakliye ve depolama maliyeti ve bu mahsullerin hektar başına verimliliğinin düşük olmasıdır. Türkiye’de odun ve bitki artıkları yıllardır ısınma amaçlı olarak kullanılmaktadır.1997 yılı sonuçlarına göre birincil enerji kaynaklarının toplam enerji tüketimi içindeki odunun payı % 8.1 iken hayvan ve bitki artıklarının payı % 2.3 ile sınırlı kalmıştır. Odunun (odun ve benzeri selüloz ihtiva eden maddelerin) biyokütle kaynağı olarak değerlendirilmesinde izlenen yollardan birisi oksijensiz ortamda ve yüksek sıcaklıklarda (350-800°C) piroliz yapmaktır. Piroliz sırasında odun kömürü ile birlikte asetik ve formik asit metonol, aseton ve formaldehit gibi ürünler de elde edilmektedir. Hızlı ve verimli bir piroliz için odunun tamamen kurutulması ve 150200°C’a kadar ön ısıtmaya tabi tutulması gerekmektedir. Katı yüzdesi fazla olan atıklardan piroliz ile gaz yakıt ve aktif karbon üretimi yapılmaktadır. Bitkisel kaynaklı biyokütleden elde edilen etil alkol ve metil alkol, alternatif yakıt çeşitleri olarak özellikle gelişmekte olan ülkelerde, petrol ürünleri yerine kullanılmaya başlamıştır. Metil alkolün üretimi ve kullanılmasında bazı sorunlar olduğu için etil alkol tercih edilmektedir. Etil alkol; alkollü içkilerde, kimya sanayiinde, fuel-oil yanında kazan yakıtı ve ya benzin yakıtı olarak kullanılmaktadır. Etonal üç farklı biyokütleden üretilmektedir. - Şekerli karbonatlardan (şeker kamışı, melas, sorgum ) - Nişastalar (mısır,patates.) - Selülozlu bitkiler(odun,zirai artıklar) 102 Şekerli karbonhidratlarından etonal üretiminde karbonhidratın basit şeker formunda ve fermente edilebilir durumda olması ve elde edilen artık elyaf veya küspenin tekrar süreç içersinde enerji hammaddesi olarak kullanılabilmesi gerekmektedir. Nişastalar ise daha kompleks yapıya sahip olmalarından dolayı şekerleşme süreci ile ihtiva ettikleri karbonhidratlar basit şeker formuna dönüşmektedir. Bu ilave bir sürece ihtiyaç duyduğundan yatırım ve işletme masraflarını artırmaktadır. Selülozlu bitkilerin ihtiva ettikleri karbonhidratlar gerek moleküler yapı ve gerekse fermente edilebilir şekere dönüşüm süreçleri açısından önceki gruplara nazaran daha karmaşık yapıya sahip olduğundan alkol dönüşüm verimleri düşüktür. Etanolun otomobil yakıtı olarak en yaygın kullanıldığı ülke Brezilyadır. Etanol, şeker kamışından fermantasyon ve damıtma sonucunda % 94-96 saf alkol alınacak şekilde üretilmektedir. Biyokütle kökenli sentetik akaryakıt kapsamında yer alan alkol karışımlı benzin ve bitkisel yağ karışımlı motorin dışında, bazı enerji bitkilerinden elde edilen yağlar dizel yakıtı yerine kullanılabilmektedir. (b) Hayvansal Atıklar: Hayvansal gübrenin samanla karıştırılıp kurutulması suretiyle elde edilen tezeğin köylerde yakıt olarak kullanımı oldukça yaygındır. Hayvansal gübrenin oksijensiz ortamda fermantasyonu ile üretilen biogazın dünyada kullanımı da oldukça yaygındır. Herhangi bir atıktan metan meydana gelişi, bakteriler tarafından iki kademede gerçekleştirilir. Önce kompleks organikler, asit bakterileri tarafından uçucu yağlı asitlere dönüştürülür. Sonra üreyen asitler metan bakterileri tarafından metan haline getirilir. Elde edilen gaz % 55-70 metan, %30-45 karbondioksit, az miktarda hidrojen sülfür ve su bileşimine sahiptir. Biyogazın ısıl değeri, karışımdaki metan yüzdesine bağlı olarak 1900 ile 27500 kJ/m3 arasında değişmektedir. Biyogaz üretiminde genel olarak kesikli besleme metodunda, fermantasyon tankına taze çiftlik gübresi verilir. Ve tank hava almayacak şekilde kapatılır. Gübrenin havasız ortamda fermantasyonu sonunda meydana gelen biyogaz, bir boru ile gazometre denilen ikinci bir kapta toplanır. Kesikli besleme yönteminde, tanka ilk gübre beslemenin yapılmasından yaklaşık 15 gün sonra biyogaz üretimi başlamakta ve gazın sürekliliği 60 gün sürmekte, bu sürenin sonunda gaz verimi düşmektedir. Bu durumda fermantasyon tankı boşaltılarak tekrar taze çiftlik gübresi doldurulur. Biyogaz üretiminden sonra elde edilen fermente gübrenin, fermente olmamış gübreye oranla %20-25 daha verimli olduğu belirtilmektedir. Ülkemizde biyogaz üretim potansiyeli 2.8 – 3.9 milyar m3 olarak belirlenmiştir. Şekil 6.2.'de iki farklı biyogaz üretim sistemi verilmiştir. 103 Şekil 6.2 İki farklı biyogaz üretim sistemi ( c ) Şehir ve endüstri Atıkları: Çöp depolanan yerlerinde ve evsel atık su arıtma tesislerinde oluşan arıtma çamurları eğer önceden stabilize edilmemiş ve biyokimyasal aktivitileri durdurulmamışsa aerobik organizmalar tarafından ayrıştırılarak metan gazına dönüştürülecektir. Metan gazı aynı zamanda sera etkisinin oluşmasında en az karbondioksit ve su buharı kadar etkili olduğundan oluşumu kontrol altına alınarak değerlendirme yoluna gidilmiştir. Bu amaçla çöp toplanan alanında oluşan gazları toplayacak şekilde sondaj boruları belirli bir düzene göre yerleştirilerek oluşan gazlar toplanmaktadır. Çıkan gazlar arıtılarak gaz jeneratörüne gönderilmekte ve gaz jeneratöründe elektrik elde edilmektedir. Diğer uygulama alanları ise doğal gaz sisteminde ve araçlarda yakıt olarak, kimya sanayinde saf metan haline getirilerek kullanma olarak sıralanabilir. Elde edilen biyogazın doğal gaz dağıtım sisteminde kullanılması, gaz temizleme işleminin pahalı olması nedeniyle fazla uygulanmamaktadır. Toplanan çöpün bileşimine bağlı olarak oluşan gaz içindeki bileşenler; metan % 35- 60, karbondioksit % 35-55, nitrojen % 0-20 arasında değişmektedir. Depolama alanından oluşan 1 metreküp gazın ısıl değeri ise yine çöpün bileşenlerine bağlı olarak 18- 27 MJ/Nm3 arasında değişmektedir. Türkiye’nin ilk çöp gaz santralı AKSA jeneratör tarafında Bursa Demirtaş’ta kurulmuştur. 1.4 MW gücünde ve 2 milyon dolara mal olan santralden yılda 10 milyon kW/h elektrik üretimi planlanmaktadır. Çöp ve katı maddelerin enerji elde etmenin diğer bir yolu ise piroliz ve yüksek sıcaklıklarda yakılmasıdır. Çöp ve katı atıkların uygun yakma 104 tesislerinde havayla yakılması ile elde edilen enerji ısı enerjisinde üretiminde değerlendirilmektedir. veya elektrik 6.3. Biyokütlenin enerjiye dönüştürülmesi Biyokütle organik madde ve sudan meydana gelmiştir. Şekil 6.3'de biyokütleden biyoyakıt üretime işlemleri görülmektedir. Şekil 6.3 Biyokütleden biyoyakıt üretme işlemleri Biyokütlenin enerjiye dönüştürülmesinde göz önüne alınması gereken faktörleri sıralarsak; enerjinin az masrafla dönüştürülmesi, ekonomik olması, yenilenebilir kaynaklara dayalı olması, doğadaki dengeyi bozmaması, su, hava ve çevre kirliliğine yol açmaması olarak sıralanabilir. Enerji dönüştürülmesinde kullanılan teknolojinin basit ve çabuk uygulanabilir olması, yeterince eğitilmiş personele ihtiyaç duyulması da önemli bir faktördür. Bu nedenlerle katı organik atıklardan özellikle orman ve tarım artıklarından en basit şekilde enerji dönüşümü, onları direkt yakmakla mümkün olmaktadır. Bu şekilde yalnız hava kirliliğine yol açan enerji elde edilmiş olur. Bu tip direkt yakma sisteminde enerji dönüştüren ünitenin enerji tüketen merkezlere uzaklığı 105 çok büyük ekonomik rol oynamaktadır. Ayrıca istenilen enerjinin devamlılığı da çok önemlidir. Büyük hacimdeki orman ve tarımsal ürünlerin uzak yerlere taşınması kapsadıkları önemli miktarda su nedeniyle ekonomik değildir. Direkt yakmanın en büyük alternatifi ise piroliz veya gazlaştırmadır. Bu yöntemler sayesinde katı yakıttan sıvı ve gaz yakıtlar üretilmektedir. Biyokütlenin geride kül ve curüftan başka bir şey bırakmayacak şekilde hava ile belirli bir basınç altında ısıtılması sonucunda yanar nitelikte gaz üretilir. Üretilen bu gaz hidrojen ve karbon monoksit yönünden zengin olduğundan kimya sanayiinde ana madde olarak ta kullanılabilmektedir. Teknolojide, biyokütlenin en uygun şekilde kullanılabilmesi için onun bazı özelliklerinin bilinmesi gerekir. Bunlar, nem oranı (% olarak su miktarı), karbon/nitrojen oranı (C/N), kimyasal ve fiziksel özellikleridir. Enerji dönüşümünde kullanılacak biyokütleler için bu değerlerin bilinmesi son derece önemli olmaktadır. Şekil 6.4'de enerji amaçlı kullanılan biyokütlenin fiziksel kimyasal özellikleri görülmektedir. Şekil 6.4 Enerji amaçlı kullanılabilen biyokütlelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri İçinde % 35’den daha fazla su ihtiva eden biyokütle termokimyasal dönüşüm sonucu elektrik üretimi için uygun değildir. Biyokütle içersinde yüksek oranda şeker bulunuyorsa bu ürün alkol fermantasyonu ve anerobik fermentasyon için uygundur. Nem oranının yanında parça boyutu da uygun dönüşüm sisteminin seçiminde önemli bir parametredir. Direk yakma için %8-15 arası nem oranı uygun olup, ocak ateşinde yakmada 50-100 cm arası parça boyutu idealdir. Bu boyut, pişirme sobasında 15-35 cm’e kadar düşer. Karbonlaştırma işlemi %8-15 arası nem oranları tercih edilir. Odunun gazlaştırma sistemde kullanılabilmesi için odun içindeki nemin ayarlanması gerekir. Bu da ancak kurutma işlemi ile gerçekleşir. Enerji yoğunluğunu birim hacim 106 başına artırmak için briketleme işlemi yapılır. Böylece daha kolay taşıma ve stoklama sağlanır. Şekil 6.5’de basit bir bir biyokütle kurutma sistemi verilmiştir. Şekil 6.5 Biyokütle kurutma sisteminin şematik görünümü. 6.4. Biyokütlenin termal parçalanması Biyokütlenin termal parçalanmasında üç farklı yöntem uygulanmaktadır. (a) Piroliz: Organik maddeler oksijensiz ortamda ısıtılırsa ortaya çıkan termal parçalanma sürecine piroliz adı verilir. Şekil 2’de iki farklı oksijen ortamında odunun termal parçalanması görülmektedir. Oksijensiz ortamda 500-600 oC’ a kadar yapılan ısıtmada; gaz bileşenleri, uçucu yoğuşabilir maddeler, mangal kömürü ve kül açığa çıkar. Yüksek sıcaklığa çıkıldığında ise gaz bileşenleri ve odun gazı açığa çıkar. Piroliz süreci şu şekilde gerçekleşmektedir: Oksijensiz ortamda karmaşık organik moleküller 400-600 oC sıcaklık bölgesinde parçalanarak yanabilir, yanamaz gazlar, katran ve zift açığa çıkar. Odunun pirolizi 4 karakteristik bölgeye ayrılmaktadır. Birinci bölge 200oC’a kadar olan sıcaklık bölgesi olup burada su, CO2, formik asit ve asetik asit açığa çıkar. İkinci bölge 200-280 oC sıcaklık bölgesi olup; su buharı, formik asit, asetik asit, bir miktar CO ve glioksal açığa çıkar, reaksiyon hala endotermik olup gazların büyük bir kısmı yanamaz niteliktedir. Üçüncü bölge 280-500 o C arasında olup yoğun bir eksotermik reaksiyon başlar. 280-400oC arasında yaklaşık 880 kJ/kg ısı açığa çıkar. Yanabilir gazlar her şeyden önce CO ve CH4 olup 107 formaldehid, formik ve asetik asit, metanol ve sonraki aşamada bir miktar H2 açığa çıkar. Küçük katran damlacıkları gaz akımıyla nakledilir. Dördüncü bölge 500oC’in üstü olup burada reaksiyonlar yoğun bir şekilde devam eder. Yüksek düzeyde yanabilir maddeler, CO, H2, metanol ve aseton oluşur. Karbonla su buharının temasından CO ve H2 elde edilir[2]. Karbonlaştırma: Karbonlaştırmada; odun, turba, maden kömürü gibi organik maddeler havasız ortamda kimyasal parçalanmaya uğrarlar. Bu işlem de farklı sıcaklık bölgelerinde gerçekleşir. Yaklaşık 170oC’a kadar suyun buharlaşması tamamlanır. 180oC den yüksek sıcaklıklarda odun polimerlerinin parçalanma tepkimeleri açığa çıkmaya başlar. 200-350 oC sıcaklıklar arasında eksotermik boşalma reaksiyonları meydana gelerek metanol, asetik asit, katran, CO ve su açığa çıkar. 350oC’ nin üzerindeki sıcaklıklarda ek katran ürünleri oluşur. 500oC dan daha yüksek sıcaklıklarda çatlama süreci ve dehidrasyon tepkimeleri oluşur. Odun tipine ve karbonlaştırma işleminin son sıcaklığına bağlı olarak elde edilen odun kömürü kuru (b) odunun yaklaşık %28-38’i arasında değişir. Odun kömürünün kalori değeri ise 30kJ/kg’ dır. Karbonlaşma işlemi sonucu açığa çıkan gaz bileşenleri ise yaklaşık olarak %50CO2, %35 CO, %10 CH4 ve %5 diğer hidrokarbon ve H2 dir. Gaz karışımının yaklaşık kalori değeri 8.9 MJ/m3 ‘dır. Odunun karbonlaştırılmasındaki sıvı ürünler ise sulu kısım ve katrandır. (c) Gazlaştırma: Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500 oC sıcaklığa kadar olan süreç piroliz safhası olup burada; karbon, gazlar (kalorifik değeri 20 MJ/m3 e kadar çıkabilir) ve katran elde edilir. Isıtma 1000 oC’ a kadar çıkıldığında karbon da su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 üretilir. Ham maddedeki değişken oksijen oranına bağlı olarak gasifikasyon işlemi için ilave oksijen girdisi gerekmeyebilir. Şekil 6.6a ve b'de iki farklı oksijen ortamında odunun termal parçalanması görülmektedir. Gasifikasyonda önemli olan biyokütlenin nem oranının % 30’u geçmemesidir. Nem oranı arttıkça gazın kalorifik değeri düşmektedir. Ayrıca hacımsal olarak yanabilir gaz olan CO miktarı düşerken CO2 miktarı da artmaktadır. 108 Yaklaşık 500-600 oC' a kadar Yüksek sıcaklık Karbonlaştırma Gazlaştırma ------------------------------------------- PİROLİZ --------------------------------------Şekil 6.6a Odunun oksijensiz ortamda termal boşalması Şekil 6.6b Odunun oksijen ortamında termal boşalması Bitkisel atıklar yakılırsa kısmi yanmada kalori değeri 4500-6000 KJ/m3 olan gaz üretilir. Gazlaştırıcının içindeki kor halinde bulunan maddeye su buharı püskürtülürse su gazı elde edilir. Bu gazın kalorifik değeri 10MJ/m3 dür. Bu gaz CO ve H2 den oluşur. 2.5-3 kg odun 1 litre petrolün yerine, 3-3.5kg odun ise 1 litre dizel yakıtın yerine geçer. Kömür ve biyokütlenin gazlaştırılması çok eski zamandan beri bilinen 109 bir teknolojidir. İşlem sonucu elde edilen yanabilir gaz karışımı, benzin ve dizel yakıtı gibi içten yanmalı motorlarda kullanılabilir. Biyokütleden üretilen bu gaz, benzin ve motorin ile karşılaştırıldığında ucuz ve güvenilir bir yakıt olduğu görülmesine karşılık uzun bir süre motorlarda kullanılmamıştır. Ancak benzinin bulunmadığı dönemlerde ve özellikle de II. Dünya savaşında yoğun bir şekilde kullanılmıştır. Burada daha az kullanılmasındaki en önemli faktör; petrol ürünlerine göre üretimi ve depolanmasının daha zahmetli olması, gaz üretim sistemlerinin çalıştırılması için farklı üniteler gerektirmesidir. Gazlaştırıcı bir sistem başlıca; bir gazlaştırıcı ünite, temizleme sistemi ve enerji dönüşüm sisteminden (yakma veya içten yanmalı motor) oluşur. Burada en önemli problem gaz üretmek değildir. Üretilen gazın içten yanmalı motorların kullanabileceği şekilde fiziksel ve kimyasal özelliklerini sağlamaktır. Benzin ve dizel motorlarının ihtiyacı olan petrol kökenli yakıt bir depodan sıvı halde emilir. Bu yakıtlar homojen olup bileşenleri zamanla değişmez. Bu nedenle bu motorlarda yakılmasında ve sistemin çalıştırılmasında bir problem oluşturmaz. Gazlaştırıcıda üretilen yanabilir gazlarda homojen bir karışım yoktur ve zamana bağlı olarak da gazın fiziksel ve kimyasal özellikleri (bileşimi, enerji miktarı, kirliliği) değişebilir. Gazlaştırıcı ile içten yanmalı makina arasında bir depolama tankı yoktur. Üretilen gaz motorda yakılmadan önce çok iyi temizlenmelidir. Son zamanlarda bu gazlar başarılı bir şekilde motor uygulamalarında kullanılmaktadır. Özel bir motor tasarımı yapılmadan motor üzerinde yapılacak küçük değişikliklerle içten yanmalı motorlarda kullanılabilmesi mümkündür. Şekil 6.7'de böyle bir sistem görülmektedir. Şekil 6.7 Bir gazlaştırıcının motorlu taşıt sistemi ile birlikte şematik görünümü (1gazlaştırıcı, 2-filtre, 3-soğutucu, 4-ince filtre, 5-fan, 6-gaz ve hava karıştırma lülesi, 7motor, 8a-fan, 8b-gaz türbini, 9-gaz pedalı, 10-hava seviyesi kontrolü, 11-odun, 12-su toplama cebi, 13-ateşleme sistemi, 14-hava girişi, 15-yanma hava borusu, 16-gaz çıkış borusu, 17-motordan çıkan gaz borusu, 18-atmosfere atılan egzoz gazı. 110 KAYNAKLAR 1. S.Pasin, D.Altınbilek,”Türkiye Hidroelektrik Enerji Potansiyeli Ve Gelişme Durumu”, Türkiye 7.Enerji Kongresi Bildiriler Kitabı Cilt 3, Ankara ,1997. 2. Enerji Teknolojileri Politikası Çalışma Grubu Raporu, TÜBİTAK-TTGV, Ankara, 1998. 3. Renewable Energy Annual 1997, Volume I, 1997, http://www.eia.doe.gov 4. M.Tırıs, Ç.Tırıs, Y.Erdallı, “Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri”, Kocaeli, 1997. 5. F.B.Yücel, “Enerji Ekonomisi”, İstanbul,1994. 6. J.S.Rinehart, “Gysers and Geothermal Energy”, Newyork, 1980. 7. A.Marko, P.O.Braun, “Thermal Use Of Solar Energy In Buildings”, Freiburg,1994. 8. Twidell, “Renewable Energy”, 1990. 111 4. YAKITLAR ve YAKMA PRENSİPLERİ 1. 0 GİRİŞ Ülkemizde hava kirliliği 1975-1995 yılları arasında insan yaşamını tehlikeye sokacak boyutlara ulaşmıştır. Hava kirliliğinin özellikle kış aylarında ölümcül boyutlara ulaşması, yakıtlardan kaynaklanan kirlenmenin ciddiyetini ortaya koymaktadır. Ancak, hava kirliliği kaynaklarının yalnızca miktarına bakarak bir değerlendirme yapmak doğru olmayabilir. Çünkü kaynak emisyonunun gerçekleştiği koşullar, insan ve diğer canlılarla ile temas süresi, derişimi ve diğer kirleticilerle bileşik etkileri, kirliliğin insan ve canlı yaşamı etkilenme derecesini belirlemektedir. Bu açıdan sorun hava kirliliğine neden olan en büyük kaynağın belirlenmesinden ötede, kaynakların kirliliğe olan katkılarının önlenmesi ve yaşam için zararlı kabul edilen sınırların aşılmamasıdır. Hava kirliliği, kara ve su kirliliğine kıyasla ülkemiz açısından nispeten yeni bir kavramdır. Ankara’nın özel durumu nedeniyle 1970’li yıllarda dikkati üzerine çekmeye başlamışsa da, günümüze kadar belirleyici çalışmalar yapılıp, konu bilimsel yöntemlerle irdelenmemiştir. Ülkemizde SO2, NOx, tanecik ve polislik aromatik hidrokarbon bileşenlerinin değerleri sistematik olarak ölçülüp ortaya çıkartılmamıştır. Bunun gibi, küçük tanecikler üzerinde biriken ağır metal yükleri, trafikte ekzos gazı emisyonlarının araç yoğunluğuna bağlı değişimi ve endüstriyel kirlenme kalemleri gibi konularda da bir bilgi bulunmamaktadır. Hava Kalitesinin Korunması Yönetmeliği (HKKY) 1986 yılında çıkartılmıştır. Yeni çıkan pek çok yönetmelikte olduğu gibi bu yönetmelikte de bir çok eksiklik bulunmaktadır. Ancak, bir yönetmeliğin çıkartılarak bazı standardların önerilmiş olması yinede ileri doğru atılmış bir adımdır. Resmi kayıtlara göre hava kirliliği öldürücü boyutlara ulaşmasına karşılık, Hava Kalitesinin Korunması Yönetmeliği’nin yaptırım gücü yetersiz kalmaktadır. Üretilen malların ticaretinde yaşanmakta olan yoğun rekabet üretim maliyetlerinin de düşürülmesini gerektirmiştir. Üretim maliyetleri içerisinde önemli bir girdi olan enerji maliyetlerinin düşürülmesi de ayrıca önem kazanmıştır. Bu konuda yakıtlar, yakma sistemleri ve yakma personeli önemli üç parametredir. Bütün bunların yanısıra 1992’de imzalanan Rio Deklerasyonu sonucu gündeme gelen İklim Değişikliği Anlaşması ve bu doğrultuda Kyoto’da Aralık 1997' de alınan kararlar, ülkelerin CO2 yayınımlarını 1990 seviyelerinde dondurması veya daha da düşürmesi konusu bir zorunluluk haline gelmektedir [1]. 112 Tüm bu nedenle hem yakıtlar, hem de bunların kullanım ve dönüşüm verimleri, çevre kirliliği açısından çok büyük bir önem kazanmış durumdadır. Yakıtlar ve yakma sistemleri konusu sanayide Enerji Tasarrufu Yönetmeliği çerçevesinde incelenmesi gereken en önemli konular arasında yer almaktadır. 2.0 YAKITLAR En genel anlamda, yandığı zaman ısı açığa çıkartan maddelere yakıt denir. Ancak endüstriyel anlamda bu ifade bazı karbon bazlı maddelere indirgenmektedir. İncelemede kolaylık sağlaması açısından yakıtlar için bazı sınıflandırmalar yapılmıştır. Doğal haliyle yakıt olarak kullanılabilen yakıtlara (kömür gibi) birincil yakıtlar, bazı işlemler sonucunda özellikleri değiştirilerek kullanılan yakıtlara (kok kömürü gibi) ise ikincil yakıtlar denilmektedir. Yakıtları bulundukları fazlar açısından gaz, sıvı ve katı yakıtlar olarak da sınıflandırmak mümkündür. Yakıtlar ayrıca fosil yakıtlar, düşük ve yüksek kaliteli (ısıl değerlikli) yakıtlar şeklinde de sınıflandırılabilir. Ülkemizde birincil enerji kaynakları olarak genellikle katı yakıtlar ve bunlar arasında ağırlıklı olarak kömür kullanılmaktadır. Ancak bu yakıtları yakmak için kullanılan sistemler, çoğunlukla bu yakıtları etkin bir şekilde yakacak tasarım özelliklerinden bir hayli uzak olduğu bilinmektedir. 3.0. ENERJİ ve SANAYİ İLİŞKİLERİ Sanayide üretimin kalbini enerji oluşturmaktadır. Enerji tüketimi doğrudan üretim seviyesini bir göstergesi olabileceği gibi, bir ülkenin gelişmişlik seviyesinin bir göstergesi de ülkedeki enerji kullanım verimi olabilmektedir. Enerji, sanayinin bundan sonra rekabet gücünü belirlemede en kritik girdi olacaktır. Çünkü, kullanılan enerjinin temiz ve ekonomik olmanın yanı sıra en azından CO2 emisyonları açısından çok verimli olmalıdır. Kyoto protokolüne göre gelişmiş ülkeler 2010 yıllarında CO2 emisyonlarını 1990 yılındaki CO2 emisyonlarının altında gerçekleştirmek zorundadırlar. Ülkemiz henüz Kyoto protokolünün gereğini kabullenip anlaşmayı imzalamamıştır. Ancak gelişmiş ülkeler Türkiye’yi bu protokolü imzalama yönünde zorlamaktadır. Çizelge 1’de verilen Türkiye’nin 1980-2010 yılları arasındaki CO2 emisyon değerleri verilmiştir. Bu çizelgeden görüldüğü gibi 2020 yıllarında endüstri ve elektrik üretiminde CO2 üretimi yaklaşık 4 kat artmaktadır. 113 Çizelge 1. 1980-2010 Yılları Arasında Türkiye’nin CO2 Emisyonları (MilyonTon) Yıllar Endüstri Elektrik Taşımacılık Evsel Zirai Üretimi 1980 19 24 16 56 3 1992 39 72 26 70 5 2000 67 134 49 85 11 2010 173 262 83 74 18 CO2 sınırlanmasının ve CO2 vergisinin söz konusu olacağı önümüzdeki yıllarda, sanayi - enerji ilişkisi çok zorlayıcı olabilecektir. Sanayi istenen CO2 emisyon seviyelerini tutturabilmek için hiç şüphesiz yakıt, yakma sistemleri, CO2 çevirim prosesleri ve etkin yanma ve yüksek çevirim verimleri konularında araştırmak ve geliştirme çalışmaları yapmak mecburiyetindedir. Sanayinin uluslararası ve ulusal pazarlardaki rekabet gücünde enerjinin önemini ortaya koyan en önemli gösterge hiç şüphesiz giderler içinde enerjinin aldığı paydır. Ülkemizde, belli başlı sanayi dallarında enerjinin üretim maliyet içerisindeki payı Şekil 1’de gösterilmiştir (3). Şekil 1’den görüldüğü gibi çimento ve amonyak sektörlerinde üretim maliyetleri içerisindeki enerjinin aldığı pay %50’den fazladır. Aluminyum, çelik, cam, gübre, kağıt ve seramik sektörlerinde de üretim maliyetinin %20-30’unu enerji oluşturmaktadır. Metalurji, tekstil, gıda ve rafinerilerin üretim giderlerinde enerjinin aldığı pay %10-20 civarındadır. Acaba mevcut hali ile Türk Sanayisinin enerji maliyetleri ne seviyededir? Ona bakarak enerji - sanayi ilişkisi konusunda bazı yönlendirmeler yapabilir. Çizelge 2’de, ülkemizde dört değişik yakıtın sanayiye olan maliyet 1994 fiyatları ile ve diğer ülkelerle kıyaslamalı olarak verilmiştir. (4) Çizelge 2. Sanayide Kullanılan Enerjinin Fiyatları (1994 USD/TEP) Ülkeler Doğal Gaz A.Fuel-Oil Kömür Elektrik Türkiye 156. 126 74 891 Japonya 518. 187 83 2032 Almanya 205 128 278 1073 A.B.D. 126 103 57 1073 OECD 142 132 98 899 Çizelge 2’deki verilerden, Türkiye’nin doğal gaz fiyatlarının Japonya ve Almanya’daki fiyatların sırasıyla %25 ve %75’i civarında kaldığı, ancak ABD ve 114 OECD ülkelerindeki fiyatlardan biraz daha yüksek olduğu anlaşılmaktadır. Sanayimiz Fuel Oili Japonya ve Almanya’dan daha pahalı ABD ve OECD ülkelerinden daha ucuza kullanmaktadır. Kömürü, ABD hariç, diğerlerinden daha ucuza kullanmaktadır. Elektiriği ise diğer ülkelerden daha ucuzdur. Bu kıyaslamalar enerji fiyatlarının diğer ülke düzeylerine çekildiğinde sanayimizin rekabet konusunda bazı zorluklar yaşamasının kaçınılmaz olduğunu ortaya koymaktadır. Ülkemizde bu koşullar altında sanayide enerji kullanımı ne durumdadır? Katı yakıt yakan elle ve mekanik yüklemeli 49 ve sıvı yakıt yakan 71 tesis üzerine gerçekleştirilen bir çalışmanın sonuçları Çizelge 3'te gösterilmiştir. Çizelge 3'teki verilere göre mekanik yüklemeli 27 tesisten ancak 3'ü elle yüklemeli 22 tesisten ancak 1 tesis ve sıvı yakıtlı 71 tesisten 52 tesis CO açısından yanma standartlarını sağlayabilmektedir. Katı yakıtlı ve sıvı yakıtlı sistemlerde yanma verimi ve hava fazlalık katsayıları sırasıyla %35-94 ve %1.41-9.08 arasında değişmektedir. Bu hem enerji kaybı açısından hem de hava kirliliği açısından kabul edilemeyecek bir durumdur. (5) Çizelge 3. İzmir ve Çevresinde İncelenen Çeşitli Yakma Sistemlerinin Bazı Karakteristik Değerleri Katı Yakıtlı Tesisler Parametreler Mekanik Elle Yükleme İncelenen Tesis Sayısı Yanma Verimi (%) Ortalama (%) Hava Fazlalığı (%) Ortalama(%) Ortalama O2 (%) Ortalama CO2 (%) O2<%7 veya O2<%3 CO<250 veya 175mg/Nm3 27 22 Sıvı Yakıtlı Sistemler 71 51-93 50 1.41-53.97 3.01 12.00 7.80 3 3 35-84 66.5 1.99-9.08 4.26 14.78 5.70 0 1 65-94 87.1 1.03-2.98 1.6 7.10 10.30 7 52 Sanayide enerji konusunda yapılan gider ve verimlilik kıyaslamaları, yakıtlar, yanma ve yanma sistemlerinin incelenmesini gerekli kılmaktadır. 115 Endüstride ve günlük hayatta ayrıca petrol kökenli yakıtların da ikincil yakıtlar olarak kullanıldıkları görülmektedir. Bunların dışında önemli olarak hidrolik ve termik santrallarda üretilen elektrik enerjisi ve yeni kullanıma girmekte olan doğal gaz bulunmaktadır. Katı, sıvı ve gaz yakıtlar arasında kesin ayırımlar olmasa ve bazı yakıtlar her iki grupta da yer alabilse dahi, yakıtları temelde üç grupta toplamak mümkündür. Bu üç yakıtın grubu aşağıda incelenmiştir. 3.1. Katı Yakıtlar Türkiye’nin en önemli enerji kaynaklarından biri olan katı yakıt rezervleri Çizelge 4’ de gösterilmiştir. Çizelge 4’deki verilerden, katı yakıtların içinde linyitlerin önemli bir yer aldığı görülmektedir. Çizelgede verilen toplam bitümlü şist miktarı ile MTA tarafından verilen 5 milyar ton değeri arasında önemli bir farklılık olduğu görülmektedir. Hiç şüphesiz yanma ve hava kirliliği açısından önemli olan yakıtların özellikleridir. Ülkemizdeki katı yakıtların özellikleri Çizelge 5’te derlenmiştir. 116 Çizelge 4. Türkiye’nin Birincil Enerji Kaynakları Rezervi (1996 Yıl Sonu İtibariyle [6]. Kaynaklar Görünür Muhtemel Mümkün Taşkömürü (Milyon Ton) 428(*) 449 249 Linyit (Milyon Ton) 3357 Elbistan 110 626 3982 Diğer 110 626 7339 Toplam (Milyon Ton) Asfaltit (Milyon Ton) 45 29 8 Bitümler (Milyon Ton) 555 1086 Hidrolik GWh/Yıl 123799 MW/Yıl 35045 Ham Petrol (Milyon Ton) 48,4 Doğal gaz (Milyar m3) 8,8 Nükleer Kaynaklar (ton) Tabii uranyum 9129 Toryum 380000 Jeotermal (MW/yıl) Elektrik 200 4300 Termal 2250 28850 Güneş Elektrik Isı - Toplam 1126 3357 4718 8075(**) 82 1641 123799 35045 48,4 8,8 9129 380000 4500 31100 8.8 26.4 (*) Hazır Rezerv Dahil (**) 300 Milyon Ton Belirlenmiş ve Potansiyel Kaynakla 8375 Milyon Ton Olmaktadır. Çizelge 5 incelendiğinde Türkiye’de katı yakıtların en önemli kısmını oluşturan linyitlerin genellikle yüksek nem, yüksek kükürt, yüksek kül içerdikleri ve ısıl değerlerinin düşük olduğu görülmektedir. Linyitlerimizdeki yüksek kükürt içeriği düşük ısıl değer ile birleşince yanma sonucunda SO2 açısından tehlikeli sonuçlar ortaya çıkmaktadır. 117 Çizelge 5. Türkiye’de Bilinen Bazı Linyit Rezervleri ve Özellikleri Sahanın Yeri Edirne-Demirhanlı Tekirdağ-Malkara-Hasköy Saray İstanbul-Eyüp-Ağaçlı Bursa-Çivili_Sağırlar Çanakkale-Çan Bolu-Gerede-MengenSalıpazarı Manisa-Soma-EynesSarıkay-Dereköy-TarhalaDenis Muğla-Yatağan-Eskihisar Kütahya Seyitömer Taşvanlı-Tunçbilek Ankara-BeypazarıDavutoğlan Samsun-Havza Çankırı-Orta Sivas-Kangal Bingöl-Kozkova Rezerv (binton) 55.000 35.000 60.000 10.000 57.966 143.343 Kömür Analizleri Nem % Kül % 40.000 11.65 29.70 25.70 38.02 17.52 Kükürt % 1.53 2.02 Isıl Değer kcal/kg 2700 2490 2500 kJ/kg 11290 10410 10450 31.73 23.34 21.03 23.18 1.70 3.18 2694 3.254 11290 13600 20.500 17.35 10.85 7.60 4800 20065 144.000 18.00 20.00 1.03 4200 17555 131.068 229.000 252.000 34.93 3354 15.00 20.75 19.10 10.10 0.99 1.36 1.50 2781 2.750 4.000 11630 11495 16720 153.000 10.00 23.10 4.70 3.144 13140 40.000 100.000 142.472 45.000 44.00 51.50 47.88 44.04 20.00 23.50 21.64 2481 1.01 0.57 0.60 1600 800 1342 2060 6690 3345 5610 8610 Türk linyitlerinde yanma işlemini zorlaştıran ve hava kirliliğini artıran diğer bazı özelliklerden daha bahsetmek gereği vardır. Bunlardan birincisi linyitlerin külleri içerisinde bulunan ve külün sinterleşme sıcaklığını düşüren Na, K, Mg, Ca gibi bileşenlerdir. Türkiye genelinde linyitlerimizin kül sinterleşme sıcaklıkları diğer ülkelerdeki linyitlere göre genellikle daha düşük olduğundan klasik yakma sistemlerinde ortaya çıkan aglomerasyon, yanmayı boğmakta ve yanmamış hidrokarbon ve karbon monoksit emisyonunu arttırmaktadır. Na ve K miktarındaki farklılıklar sinterleşme sıcaklığında önemli dalgalanmalara neden olabilmektedir. Örneğin Çan kömür rezervlerinden alınan iki linyit numunesinin Na ve K içeriklerindeki farktan dolayı sinterleşme olayı bu iki numune için çok farklı sıcaklıklarda gerçekleşmiştir. Yanmanın etkin olarak gerçekleşmemesinin yanı sıra, hava kirliliğini artıran bir diğer etken de Türk linyitlerinin fiziksel özelliklerinin rezervden rezerve, hatta aynı rezerv içersinde çok büyük değişiklikler göstermesidir. Türk linyitlerinin çok kırılgan olması nedeniyle ocaktan çıkarma, yükleme, boşaltma ve taşıma işlemleri sürecinde bu kömürler %60’lara varan oranlarda ince taneciklere kırılmakta veya tozlaşmaktadır. 118 Bu nedenle bu linyitler atmosferi doğrudan kirlettikleri gibi, yanma zorlukları nedeniyle de hava kirliliğine neden olmaktadır. Bunun tipik bir örneği İstanbul yakınındaki Yeniköy Ağaçlı Kömürleridir. bu kömür rezervinde aynı noktada düşey doğrultuda değişik kesitlerde alınan numunelerin analiz sonuçları çizelge 6'da gösterilmiştir (8). Burada NO, N40, N80 ve N160 sırasıyla yüzeyden, yüzeyden itibaren 40 cm, 80 cm ve 160 cm derinliklerden alınan numuneleri göstermektedir. Çizelge 6. Yeniköy Ağaçlı Kömürü Örneklerinin Kısa Analizleri ve Isıl Değerleri. Kısa Analiz (%) NO N40 N80 N160 Nem 34.78 36.13 32.56 32.14 Uçucu Madde 20.63 17.08 21.79 21.52 Sabit Karbon 35.71 35.01 36.37 37.37 Kül 8.88 11.78 9.28 8.97 Kükürt 0.95 1.34 1.86 1.01 Üst Isıl Değer (kkal/kg) 3984 3787 4147 4069 Çizelge 7' de çeşitli yakıtların ısıl değer, kısa ve elementel analiz ve alevlenme noktası değerleri verilmiştir. Bu değerler katı yakıtları yakan yakma sistemlerinin tasarımında ve kirlilik potansiyellerinin irdelenmesinde kullanılmaktadır. 119 120 Çizelge 7. Katı Yakıtların bileşimi ve Özellikleri (9) Elementel Analiz Susuz Külsüz Temelde Yakıt Türü Alt Isıl Değeri MJ/kg Karbon % Ağ. Hidrojen %Ağ. Oksijen %Ağ. Endüstriyel Analiz Su %Ağ Kül %Ağ. Uçucu Madde %Ağ Tutuşma Sıcaklığı oC Max.CO2 içeriği % Hacimsel Odun 18.5 10-50 6.0 44.0 - - 70-85 280-300 - Linyit 25.1-26.8 65-70 5.5 25.0 14-55 8-20 50-60 135-175 - Kahverengi Linyit 26.4-28.1 70-75 5.4-5.9 6.8-10.2 - - 40-55 210-220 19.3-19,6 TaşK(bitümlü) Meta- 36.5 89-91.2 4.4-5.4 - - - 20-28 - 18-19 Orta- 36.0 87-89 4.7-5.6 - - - 28-31 - 18-19 Para- 35.0 84-87 4.9-5.7 - - - 31-36 - 18-19 - Linyitimsi K. Meta- 33.0 80-84 5.0-5.7 - - - 36-42 - Orto 31.0 75-80 5.0-5.7 - - - 42-49 - - 34.8-35.2 92-94 3.0-3.8 1.8-2.1 - - 5-10 300-400 - - Antrasit Koklar Gaz koku 28 - Metalurjik kok 30.1 - Yan ürün kok 28-30 - - 4-9 6-14 <1 - 20.6 - 3-5 4-5 1 - 19.7 20.6 - - 0.7-1 8-14 1 - Turba koku 30.1 - - 3-5 4-5 8-12 - 19.7 Kok tozu 25.1 - - 12 10 3 - 20.7 1 MJ = 238.8 Kcal 121 3.2. SIVI YAKITLAR Sıvı yakıt sınıfında, petrolden tüketilmiş değişik yakıtların yer aldığı bilinmektedir. Bu bölümde, ülkemizde yoğun olarak kullanılması nedeniyle fuel-oil (yakıt yağları) esas alınacaktır. Fuel-oil, petrol rafinasyonunda asfalt ve alt ürünün üzerinde çekilmekte ve kaynama sıcaklığı geniş bir aralıkta değişmektedir. Rafinasyon teknolojisine ve rafineriye gelen ham petrolün kaynağına bağlı olarak, fuel-oil’in niteliğide değişebilir. Beş ayrı sınıfa ayrılan fuel-oil ile ilgili esaslar TS 2177’de belirtilmiştir. Gruplamada esas alınan parametreler yoğunluk ve viskozitedir. 1 ve 2 numaralı fuel-oil ev yakıtı olarak, 5 ve 6 numaralı yakıtlar ise ağır sanayi yakıtı olarak tanımlanmaktadır. Yüksek numaralı fuel-oilin, pompalanabilmesi ve etkin bir şekilde yakılabilmesi için ısıtılması gerekmektedir. Çizelge 8’de, fuel-oilin bazı özellikler gösterilmiştir. Isıl değer gözönüne alınarak, bu çizelgede gösterilen fuel-oil çeşitleri kirlilik potansiyeli açısından gözden geçirildiğinde, 6 nolu fuel-oilin 1 nolu fuel-oile göre % 10 oranında daha yüksek bir kirlilik potansiyeline sahip olduğu görülür. buna karşın 6 nolu fuel-oilin içerdiği kükürt miktarı 28 kat, azot ve oksijen miktarı ise 4 kat daha yüksektir. 122 Çizelge 8. Fuel-Oil İçin Karakteristik Değerler [9]. Özellik Tip Renk API gravitesi (15oC) Yoğunluk (15oC) (g/cm3) Viskozite (38 o C, santistok) No:1 Damıtılmış (gazyağı) Açık 40 No:2 Damıtılmış Amber 32 No:4 Çok hafif artıklar Siyah 21 No:5 Hafif Artıklar Siyah 17 No:6 Artıklar Siyah 12 0.8251 0.8654 0.9279 0.9529 0.9861 1 2.68 15.0 50.0 360.0 31 35 77 232 -18 -18 -12 0 18 Atmosferik Atmosfer -9 1 38 Atmosferik Atmosfer -4 54 93 Eser Eser 2.5 5.0 12.0 0.1 0.2 0.4-0.7 0.2 0.4-1.5 0.48 Maks.2.0 0.7 Maks.2.8 0.92 13.2 86.5 Eser 12.7 86.4 Eser 11.9 86.10 Maks.0.5 11.7 85.55 Maks.1.0 10.5 85.70 Maks.2.0 Eser Eser 0.02 0.005 0.08 9121 38125 9387 39240 9720 40630 9853 41185 9986 417740 .6 Viskozite (38 o C, Saybolt Üniv.) Akma Noktası (oC) Pompalama Sıcaklığı (oC) Atomozisyon Sıcaklığı (oC) Karbon Atıklar (%) Kükürt (%) Oksijen ve Azot (%) Hidrojen (%) Karbon (%) Su ve Çökelti (%) Kül (%) Isıl değer (kcal/kg) (kJ/kg) - 3.3. Gaz Yakıtlar Taşınma ve yakma kolaylıkları, yüksek ısıl değerleri, katı tanecik içermemeleri, kirletici bileşenlerinin az olması veya bunlardan kolay arındırılabilmeleri ve çok düşük hava fazlalıklarıyla yakılabilmeleri açısından gaz yakıtlar hava kirliliğini önlemede en uygun yakıtlardır. Ülkemizde 1960’lı yıllardan sonra kullanımı artan LPG ve 123 1990'larda Sovyetler Birliği’nden ithal edilmeye başlanan doğal gaz, Türkiye'deki en önemli gaz yakıtları oluşturmaktadır. Dünyanın değişik ülkelerinde üretilen gaz yakıtların önemli özellikleri Çizelge 9' da gösterilmiştir. 3.4. Katı ve Sıvı Yakıtlar İçin Bazı Analiz Yöntemleri Katı ve sıvı yakıtların analiz ihtiyacı bu yakıtların kullanıldığı yere göre değişmektedir. Örneğin emisyonlarla ilgili parametreleri ile yanma verimi parametreler değişebilmektedir. Ancak yakıtlar için genel anlamda önemli olan analiz konuları numune alma, kısa analiz, elementel analiz, kükürt türleri tayini, sıvı yakıtda tortu tayini, spesifik yoğunluk, viskozite ve alevlenme noktasıdır (9). Numune alma sağlıklı bir analiz yapabilmek için ilk önemli adımdır. Bunun için alınan numune yakıtı temsil eder nitelikte olmalıdır. Numune, ilgili standartlarda belirtilen yöntemlerle birçok noktadan alınmalı ve homojenize edilmelidir. Homojenize edilen numune yine standartlara uygun olarak bölünerek küçültülmelidir. Çizelge 9. Gaz Yakıtların Bileşimi ve Özellikleri (9) Gaz Yakıtların Bileşimi ve Özellikleri Gaz Yakıtlar Net Isıl Değeri Bileşimi (%Ağırlık) Yoğunluk (kg/m3) CO H2 CH4 Kok Batarya Gazı 0.49 13.8 10.4 35.0 Yüksek Fırın Gazı 1.29 29.8 0.2 CnHm H2S 7.0 1.3 CO2 N2 O2 8.9 23.7 1.2 13.7 55.0 Mak. CO2 İçeriği MJ/kg % Hacim 34.4 10.03 3.31 24.78 Doğal Gaz -Cezayir 0.913 63.32 28.99 -Almanya 0.814 78.97 8.66 0.3 0.43 7.26 45.15 12.21 7.77 4.3 43.61 12.12 21.1 -Hollanda 0.83 70.3 6.7 1.9 -İran 0.813 75.9 21.7 2.4 37.7 11.80 39.2 12.14 -S.Birliği 0.769 87.7 5.83 5.66 0.81 46.63 11.98 -K.Denizi (İng.) 0.7841 83.77 10.78 1.0 4.45 46.95 11.88 124 Bir kömür numunesinin alınması 30-500 kg’lık başlangıç numunesinden birkaç kilogramlık analiz numunesine inmeyi gerektirebilir. Kaba nem ve bünye nemi tayini için bitümlü kömürler 0-2 mm, linyitler 0-10mm tanecik boyutuna öğütülür. Öğütülen numune 3-4 gün süre ile oda koşullarında sabit tartıma getirilir." Havada kuru " olarak bilinen bu numune kapalı şişede muhafaza edilir. Numunenin gelen haldeki ağırlığı ile sabit tartım ağırlığı arasındaki fark kaba nemi verir. 105-110 oC' da bir etüvde sabit tartıma getirilen havada kuru numunenin ağırlık kaybı da bünye rutubetini verir. Kaba ve bünya rutubetlerinin toplamı toplam rutubeti verir. Kül tayini için havada kuru numuneden 1-3 g alınarak fırında kademeli olarak 800oC’a kadar ısıtılır ve bu sıcaklıkta 3 saat süre yakılır. Derikatörde soğutularak tartılan miktar, kül miktarını gösterir. Kuru numunenin 900 oC’da 7 dakika süreyle bir fırında tutulması sonucu meydana gelen ağırlık kaybı uçucu madde miktarını verir. Havada kuru kömürün ağırlığından, bünye rutubeti, uçucu madde ve külün toplam ağırlığının çıkartılması ile numunenin sabit karbon ağırlığı bulunur. Tüm yakıtlar için elementel analiz sonuçları çok önemlidir. Bu analiz ile yakıtın organik kısmının analizi yani karbon, hidrojen, oksijen, azot ve kükürt oranları bulunur. Karbon ve hidrojen yakıtın enerji değeri açısından önemlidir. Azot ve kükürt ise çevre kirliliği açısından çok önemli parametrelerdir. Elementel analiz esas itibariyle cihazlı analiz yoluyla tayin edilir. Kükürt, yakıt içerisinde temel olarak organik, pritik ve sülfat şeklinde bulunur. Toplam kükürt tayini önemli bir analizdir. 4-5 g katı numune toz olarak bir krozeye konur. Üstü ESKA karışımı ile kapatılarak fırında tüketilinceye kadar ısıtılır. Soğuyan kütle sıcak su ile behere aktarılır. 3-5ml klorlu su konur ve koku kalmayıncaya kadar kaynatılır. Gaz çıkışı bitene kadar HCl ile asitlendirilir. % 10 BaCl2. 2H2O ile karıştırılıp BaSO4 şeklinde çöktürülerek, kurutulur ve kükürt miktarı hesaplanır. Yanar kükürt kalorimetre bombasında yakıldıktan sonra suda çözünüp BaSO4 halinde çöktürülerek tayin edilir. Ayrıca yakıtın karbon, hidrojen ve oksijen içeriği kullanılarak, Dulong eşitliğinden ısıl değer hesaplanabilir. Sıvı yakıt analizinde tortu miktarı çoğunlukla tayin edilmesi istenen bir özelliktir. Bunun için 5-10 g numune 105 oC’da kurutulmuş süzgeç kağıdı ile süzülür ve tortu tartılır. Sıvı numunenin su içeriği 50 g numunenin 500 ml’lik bir balona konması ve 100 ml su ile doyurulması, ksilol ilave edilmesi ve suyun bir mezüre damlalar halinde 125 taşırılıp ölçülmesi yoluyla bulunur. Özgül ağırlık piknometre kullanılarak sıvı yakıt ve su ölçümlerinin kıyaslanmasından bulunur. Viskozite uygun bir viskometre ile tayin edilebilir. Çizelge 10’ da bazı analizlerde kullanılan cihazlar ve standartlar gösterilmiştir. Çizelge 10. Karakterizasyon Çalışmalarında Yapılan Analizler ve İlgili Standartlar. Analiz Cihaz Standart Kısa Analiz Fischer Model 490 ASTM D 3172-3175 Üst Isıl Değer Leco AC 200 Kalorimetre ASTM D 3277-3286 Leco SC 32 IKA-Werk Kükürt Tayinleri: Kalorimetre Bombası Yanabilir Kükürt TS 363 Yaş (Eşka) Yöntemi Toplam Kükürt TS 329 Yaş Yöntem Sülfat Kükürdü Oksidasyon Pritik Kükürt TGA-DTA Dupont Sevies 951 3.5. Yanma Profilinin Çıkartılması Katı yakıtların yanma özelliklerinin belirlenmesi için DTA kullanılarak ayrıntılı bilgi edinilebilir. Bu bölümde bazı yakıtlar için elde edilen yanma profilleri (10) tartışılacaktır. Kömürler genelde kömürleşme derecelerine bağlı olarak, çeşitli proseslerde kullanılmaya uygun niteliklere sahip olabilmektedir. Bu nedenle "kömür reaktivitesi" kavramı tanımlanmıştır.Piroliz işlemlerinden atmosfer şartlarında verimi belirleyen önemli değişkenlerden birisi uçucu madde miktarıdır. Bunun gibi, kömürün yaşı ve anorganik yapısına bağlı olarak yakma işlemine yatkınlığını belirlemek üzere diferansiyel termograviteri yöntemi kullanılarak yanma profilleri çıkartılmaktadır. Bu profiller kullanılarak yanabilirlik sonuçlarına ulaşmak mümkündür. (11). Yanma profilleri termogravimetre cihazları kullanılarak elde edilmektedir. bunun için 20 mg kadar kömür numunesi cihazın numune haznesine konulur ve belirli bir ısıtma hızıyla ısıtılmaya başlanır. Bu sırada numunenin üzerinde bir hava akımı geçirilir. Isıtma işlemi süresince numunenin ağırlık kaybı fırın sıcaklığının bir fonksiyonu olarak grafiklenir. Bu şekilde elde edilen bir yanma profili Şekil 2'de gösterilmiştir. 126 Şekil 2. Bitümlü kömür için tipik bir yanma profili Şekil 2’de gösterilen 1 nolu pik 100oC civarında gerçekleşen nem çıkışını ifade etmektedir. Bunun yakınında bünye suyu çıkışı ile bağlantılı ikinci bir pik görülebilir. 270-310oC arasında görülen 2 numarada son bulan çöküntü bazı organiklerin katı hal oksidasyonundan kaynaklanmaktadır. Bu durum orta derecede uçucu madde içeren kömürler için geçerlidir. 3 nolu noktadan itibaren ağırlık kaybı süreklilik kazanmaktadır. Bu nokta yanmanın başladığı nokta olarak kabul edilmekte ve başlama sıcaklığı (BS) olarak isimlendirilmektedir. Başlama sıcaklığından 4 nolu noktaya kadar sıcaklıkla yaklaşık olarak doğrusal bir şekilde artan bir ağırlık kaybı görülmektedir. Bu aşamada yanma hakim mekanizmadır. Eğimin değiştiği 4 nolu noktada uçucu maddelerin çok büyük kısmı yanmalarını tamamlar. Bu nedenle bu nokta sabit karbon yanması başlama sıcaklığı (BSSK) olarak adlandırılır. 5 nolu noktada yanma en yüksek sıcaklığa (EYS) ulaşmaktadır. En yüksek sıcaklık "kömür rankına" bağlı olarak düşük veya yüksek bir değer alabilir. İçerdiği fonksiyonel grupların etkisi, yüksek uçucu madde içeriği ve anorganik yapının bazı 127 katalitik etkileri gibi nedenlerle daha reaktif olan linyitlerde görece düşük bu sıcaklık , bitümlü kömür ve antrasitlerde giderek artmaktadır. Yanabilirlik ölçütü temelde en yüksek sıcaklığa bakılarak belirlenmektedir. En yüksek sıcaklık sonrasında bazı kömürlerde ağırlık kaybı hızında hızlı ve düzgün bir düşme gözlenmektedir. Eğrinin başlangıç “0” seviyesine düştüğü nokta yanmanın tamamlandığı sıcaklık (TS) olarak tanımlanmaktadır. Bazı kömürlerde şekilde 7 numarayla belirtilen ve kesikli çizgilerle gösterilen bir omuz (shoulder) veya daha fazla pik oluşumu sözkonusu olabilir. Omuzla, çoğunlukla şişme özelliği gösteren kömürlerde, oksijenin gözenek difüzyonu kontrolüne girmesi durumunda karşılaşılmaktadır. Ülkemiz linyitlerinden, Çan, Göynük ve Yatağan linyitleriyle bir ABD linyitinin yanma profilleri Şekil 3'te gösterilmiştir. Yanma profilleri incelendiğinde, Çan ve Yatağan bünye nemine ait ikinci bir nem piki gösterirken, Göynük ve Amerikan linyitinde böyle bir pikin oluşmadığı görülmektedir. Dört linyit numunesinde de katı hal oksidasyonuna ait bir ağırlık artışı görülmemektedir. Termogravimetrik analizi yapılan her üç Türk linyitinin belirleyici yanma piki tek görünmesine rağmen, büyük pik üzerinde yerleşmiş küçük pikler de mevcuttur. Çan, Göynük ve Yatağan linyitinde omuz oluşumu görülmektedir. Amerikan linyitinde ise üç belirgin pik görülmektedir. Üç Türk linyiti ile bir Amerikan linyiti ve ilave olarak bir İngiliz bitümlü kömürü için yanma profilini karakterize eden 4 değişken Çizelge 11’de derlenmiştir. Yakılabilme ölçütü olan EYS açısından bakıldığında, Yatağan ve Çan linyiti en reaktif yakıtlar olarak görülmektedir. Göynük bu kömürlerden biraz daha az reaktif görünürken, Amerikan ve İngiliz kömürleri reaktiflik açısından son sıralarda yer almaktadır. Ülkemiz linyitlerinin Amerikan linyitlerinden daha geç olması ve İngiliz Bitümlü kömürlerinin de kömürleşme açısından en olgun kömürler olması nedeniyle elde edilen sonçlar uyumlu görülmektedir. 128 Şekil 3. Yatağan, Çan, Göynük ve Amerikan linyitlerinin yanma profilleri 129 Çizelge 11. Değişik Kömürlere Ait Yanma Profillerinin Karşılaştırılması Yakıt BS oC BsSK oC EYS oC TS oC Çan 190 300 370 600 Göynük 240 320 430 600 Yatağan 180 285 370 600 Amerikan Linyiti 215 435 500 540 İngiliz Bitümlü K. 290 450 560 650 Bu çalışmada kullanılan Yatağan ve Çan linyitlerinin yakılabilirlik açısından önemli bir farkları olmadığı anlaşılmaktadır. Ancak EYS ve TS sıcaklıkları arasında görülen ve kül yumuşama ve sinterleşme olayları ile ilgili belirtilen omuz oluşumu, Çan linyitinde yaklaşık 450 oC, Yatağan linyitinde ise 520 oC’da başlamaktadır. Bu farklılığın linyitlerin anorganik yapısından kaynaklanması beklenir. Yanma etkinliği açısından da akışkan yatakta, bu iki kömür için bir farklılık beklenmezken sinterleşme ve aglomerasyon açısından Yatağan linyitinin daha yüksek sıcaklıklarda sorunsuz yanabileceği görülmektedir. 4.0. YANMA Yanma; yakıtların genellikle havadan sağlanan oksijen ile hızlı oksidasyonu sonucu ısı ve sıcak yanma ürünlerinin açığa çıktığı kimyasal reaksiyonlarıdır. Yakıtlar esas olarak karbon, hidrojen ve oksijenden oluşur. Bunlara ilave olarak daha az oranlarda kükürt, azot, klor ve diğer elementleri içerir. Normal şartlarda ve yeterli oksijen ortamında yakıtlar çoğunlukla CO2 ve H2O’ya dönüşür. Ayrıca az miktarda bulunan kükürt, azot ve diğer elementlerin oksitleri oluşur. Eğer yanma tam olarak gerçekleşmez ise, ürün gazları içersinde CO, O2, metan, kurum ve katran da oluşur. Bu durum hava kirliliği yükünü arttırır. Katı yakıtların yanma ürünleri arasında bulunan kül veya kalıntıların yanmaya ve ısı üretimine herhangi bir katkısı olmadığı gibi, ısıyı kısmen tüketmeleri sözkonusudur. Ancak kül içerisinde bulunan yanmamış hidrokarbonlar, metaller ve kendi kütleleri; kara, su ve hava kirliliğinin önemli bir nedenidir. Yakıtların içersindeki suyun yanma sırasında buharlaşması çevreye doğrudan bir zarar vermemektedir. Ancak, yoğun SO2 içeren baca gazlarında yoğuşma sırasında asit oluşumunu hızlandırıcı etkisi sözkonusudur. Bazı şehirlerde ve sanayide artan miktarlarda doğal ve sıvılaştırılmış petrol gazı kullanılmaya başlamıştır. Bu nedenle hava kirliliğinde görece bir azalma olmuştur. 130 Verim, hava kirliliği ve karbondioksit üretimi açısından avantajlar sağlayan doğal gaz ve sıvılaştırılmış petrol gazlarının kullanımı artış gösterecektir. Dünya pazarlarında bulunan bazı gazların özelliklerini Çizelge 9’da gösterilmiştir. 4.1. Yanma Reaksiyonları (12) Karbon, hidrojen ve kükürdün yanma reaksiyonları, yanma olayının esasını oluşturur. Bu açıdan üç bileşen için kurulacak kütle dengesi ürünün büyük çoğunluğunu verir. Stokiyometrik şartlarda teorik olarak gelişen tam yanma reaksiyonları; C + O2 → CO2 4H + O2 → 2H2O S + O2 → SO2 (1) (2) (3) Yukarıdaki denklemlerde reaksiyon için gerekli oksijen miktarı “stokiometrik hava miktarı” olarak tanımlanır. Oksijen genellikle havadan sağlandığı için stokiometrik hava miktarı; C + O2 + (79/21) N2 → CO2 + 3.76 N2 (4) eşitliğine göre gerçekleşir. Benzer şekilde hidrojen ve kükürt için stokiometrik hava miktarları da aynı oranla bulunur. Katı yakıtların ve bazı sıvı yakıtların yanma zorlukları göstermesi nedeniyle, bunların yüksek bir verimde yakılabilmesi için stokiometrik hava miktarından fazla hava gereksinimi olmaktadır. Bu fazlalık stokiometrik miktara oranlanarak ifade edilir. Eğer fazlalık oranı a ile ifade edilirse, stokiometrik olmayan şartlarda yanma reaksiyonu; C + (1+a) {O2 + (79/21)N2} → CO2 + aO2 + 3.76 (1+a) N2 (5) şeklinde gösterilir. Stokiometrik hava fazlalığının ve yanma veriminin maksimum olduğu normal çalışma oranı Şekil 4’de gösterilmiştir. Optimum hava fazlalık oranının altında ve üstünde yanma verimi düşer ve emisyonlar artar. Çizelge 10’da literatürde çeşitli yakma sistemleri için optimum hava fazlalık katsayısı değerleri yakma sistemleri bazında verilmektedir. 131 Şekil 4. Baca Gazında Hava Fazlalığı, CO2, O2 ve CO İlişkisi 132 Çizelge 12. Fırın ve Yakıt Tipine Bağlı olarak Bazı Yakıtlar İçin Gerekli Hava Miktarı Yakıt Pulvarize Kömür Kömür Fuel-Oil Doğal Gaz Yüksek Fırın Gazı Siyah Likör Fırın ve Brülör Tipi Su Soğutmalı Ocaklar Hareketli Izgaralı Yüksek Verimli/Kapasiteli Brülörler Endüstriyel Kazan Üniteleri Recister Tip Brülörler Nozul Tip Brülör Geri Kazanım Fırınları Fazla Hava (%) 15-20 15-20 15-20 10-20 5-10 15-18 5-7 Kazan tasarımcılığı ve genel yanma reaksiyonlarını değerlendirilmesi için genel olarak C, H ve S reaksiyonlarının yazılması yeterli olabilmektedir. Ancak hava kirliliğinin modellenmesi açısından yakıt ve havadaki azottan kaynaklanan reaksiyonların da değerlendirilmesi gerekmektedir. 2N + O2 → 2NO N2 + O2 → 2NO Yanma ile ilgili reaksiyonlar ve reaksiyon ısıları topluca Çizelge 13’de verilmiştir. Çizelge 13. Bazı Temel Yanma Reaksiyonları [13]. Yakıt veya Mol Ağır. Reaksiyon Bileşen (kg/kmol) Karbon 12 C + O2 → CO2 Hidrojen 2 2H + 1/2O2 → H2O Kükürt 32 S + O2 → SO2 Azot 14 N + 1/2O2 → NO Metan 16 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Etan 30 C2H6 + 7/2O2 → 2CO2 + 3H2O Propan 44 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O Bütan 53 C4H2O + 13/2O2 → 4CO2+5H2O 5.0. YAKMA SİSTEMLERİ 133 Reaksiyon Isısı KJ/kg KJ/Nm3 Yakma sistemlerinin tasarımının, kullanılacak yakıtın türüne ve özelliklerine bağlı olarak yapılması gerekmektedir. Bu sebeple, bu bölümde yakıtların katı, sıvı ve gaz şeklinde kullanılması temel alınarak yakma sistemler hakkında kısaca bilgi verilecektir. 5.1. KATI YAKIT SİSTEMLERİ Katı yakıtlar başlıca pulvarize yakma sistemi, sabit yatak (ızgaralı) yakma sistemi ve akışkan yataklı yakma sistemleri ile yakılabilir. Pulvarize yakma sisteminde, öğütülerek uygun tanecik boyutuna getirilen kömür, büyük bir yanma odasına hava ile püskürtülmekte, taneciklerin hava içinde askıda kalarak yanmaktadır. Tanecik çapı küçük olduğu için özgül yüzeyi yüksektir. Bu nedenle tam yanma için yüksek hava fazlalığına gerek yoktur. Taneciklerin küçük boyutlara düşürülmüş olması; uçucu madde, sabit karbon ve yanma süresi açısından önemli üstünlükler sağladığından bu sistemler çok değişik özelliklere sahip kömürleri yakabilen sistemlerdir. Ancak, kömür hazırlama maliyeti genellikle sistemin ekonomisini belirler. Yanma sıcaklığının yüksek olmasından dolayı NO yüksek miktarlarda oluşmakta ve hava kirliliği artmaktadır. Ayrıca SO2 kontrolü için ayrı bir sıyırma sistemine gereksinim vardır. Siklon tipi yakıcıların da geliştirilmesi nedeniyle yanmanın çok etkin olarak gerçekleştirilmesi yanmamış hidrokarbon oluşumu açısından üstünlük sağlar. Bu sistemlerde etkin bir uçucu kül sıyırma ünitesine gerek duyulmaktadır. Izgaralı (stoker) yakma sistemleri, ızgara hareketli ve hareketsiz olabilmektedir. Izgara üzerine yığılan kömürün içinden hava geçirilir. Gerektiğinde hava ayrıca ızgara üerinden ikincil hava şeklinde de beslenebilmektedir. Özellikle yakıt ilavesi sırasında eksik yanma nedeniyle atmosfere atılan yanmamış hidrokarbonlar, karbonmonoksit ve azotlu bileşiklerin miktarında artış sözkonusu olabilmektedir. Bu durumda ikincil hava beslemesi yapılmalıdır. İkincil havanin beslenmesi, yakıtın niteliğine, örneğin uçucu madde ve sabit karbon içerine, bağlı olarak değişebilmektedir Hareketli ızgaralı sistemlerde ızgara üstünde yanmanın bazı sakıncaları giderilmiş olmasına karşın yanma etkinliğinin üşük olması, aglomerasyon, yakıt özellikleri açısından yeterince esnek olmaması, hava fazlalık oranlarının yüksek olması ve ince taneciklerin ızgaranın altına düşmesi gibi nedenlerden dolayı bu sistemlerin hava kirletme potansiyeli hala yüksektir. 6.0. YANMA HESAPLAMALARI 134 Yakıtların yakılması ile ilgili temel reaksiyonlar 4.1 nolu bölümde verilmiştir. Bu reaksiyonlardan ilgili olanlar, bazı varsayımlar eşliğinde, kullanılarak Hava Kalitesinin Korunması Yönetmeliğinde ön görülen bazı standart hesaplamala yöntemleri bu bölümde verilecektir. Hesaplamalarda kuru havanın hacimce %21 oksijen ve %79 azot içerdiği varsayılacaktır. Bu durumda N2/O2’nin molar oranı 3.76 olmaktadır. Hava kirliliği açısından yakıt içerisinde yanıcı bileşenlerin tam yanması için gerekli teorik oksijen stokiometrik bağıntıdan çıkartılabilir. Teorik oksijen miktarı ile N2/O2 molar oranının kullanılmasıyla teorik olarak gerekli olan hava miktarı elde edilir. Pratik uygulama koşullarında, gereksinim duyulan gerçek hava miktarı hava fazlalığı katsayısı kullanılarak hesaplanır. Bu katsayı aşağıdaki eşitlikten yararlanılarak hesaplanır; e = Va-Vs (1) Burada, e Va Vs : Hava fazlalığı katsayısı (molar) : Uygulamada gerek duyulan gerçek hava miktarı (kmol veya m3), : Stokiometrik hava miktarı (kmol veya m3)’ni göstermektedir. Şimdi bir kaç örnek üzerinde bu konuyu inceleyelim. Örnek 1: Bir gaz yakıtın bileşimi % 93 CH4, % 2 C3H8, % 2 H2S ve % 3 azottan oluşmaktadır. Bu yakıtın % 30 oranında hava fazlası ile yakılması halinde; i) ii) 1 m3 yakıt yakılması için gerekli olan hava ve oluşan baca gazı miktarını, Oluşacak SO2 emisyonunu ppm olarak le yaş ve kuru bazda hesaplayınız. Çözüm 1: Temel : 100 m3 yakıt Gerçekleşebilen ilgili reaksiyonlar: 135 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O H2S + 3/2O2 → SO2 + H2O dır. Yanma işlemi sırasında gerekli olan hava miktarıyla oluşan çeşitli gazların miktarları aşağıdaki tabloda görülmektedir. i) Reaksiyona giren ve çıkan maddelerin bilançosu; Bileşen %v/v veya m3/100m3 Gerekli CO2 SO2 Oksijen CH4 93 186 93 C3H8 2 10 6 H2S 2 3 2 3 N2 Stokio. O2 199 Stokio. N2 748.2 947.2 99 2 Stokiometrik hava gereksinimi; Vs : H2O N2 186 8 2 196 3 748.2 751.2 947.2m 3 = 9.47 m 3 / m 3 3 100m Stokiometrik yaş gaz; 1048.2m 3 = 105m 3 / m 3 3 100m = 10.5 − 196 / 100 = 8.5m 3 / m 3 Wyg = ΣVT = CO2 + SO2 + H 2 O + N 2 = Stokiometrik kuru gaz : ΣVT − V H 20 Gerçek hava beslemesi; Va = Vs (1+e) = 9.47(1+0.3)=12.3m3/m3 (%30) yaş baca gazı; Way = Wgyg +eVs=10.5+0.3*9.47 = 13.34m3/m3 gaz (%30) kuru baca gazı; Wad = Wsd + eVs = 8.5 +0.3*9.47 = 11.34 m3 gaz ii) [SO2 ]yaş = 2 / 100 = 1.499 *10 −3 / m 3 = 1499 ppm [SO2 ]kuru 13.34 2 / 100 = = 1.763 *10 −3 / m 3 = 1763 ppm 11.34 6.1 Katı ve Sıvı Yakıtlar için Yanma ve Emisyon Hesaplamaları 136 Bu işlem için öncelikle yakıtın elemental değerleri molar bileşime dönüştürülebilir. Yakıt içerisinde bulunan oksijen miktarı, gerekli oksijen miktarından çıkartılır. Bazı reaksiyonların mertebeleri çok düşük olduğundan önemli bir hataya neden olmadan ihmal edilebilir, bazıları reaksiyona girmez (su, kül vb.), bazıları da dekompozisyonla başka bir bileşenle reaksiyona girebilir (klor ve flor gibi). Örnek 2: Bileşimi %40 C, %15 H, %20 O, %4 N, %4 Cl, % 1 F, % 8 kül ve %8 nemden oluşan bir artık, %100 hava fazlalığı şartlarında yakılırsa; a) 1 ton/saat katı atık yakma için gerekli hava besleme hızını ve baca gazı miktarını, b) HCl ve HF emisyon değerlerini kuru baca gazı bazında hesaplayınız. Çözüm 2: Temel : 100 m3 yakıt Yanma sırasında gerçekleşen başlıca reaksiyonlar aşağıda gösterilmiştir. Bu denklemlerden yararlanılarak geraklı hava miktarı, baca gazı miktarı ve diğer yayınım miktarları aşağıda hesaplanmıştır. C + O2 → CO2 ∑ yaş = 35.60 H2 + 1/2O2 → H2O ∑ KURU = 27.75 H2 + Cl2 → 2HCl H2 + Cl2 → 2HF 137 Element Kg/ Kmol/ Düzeltilmiş O2 100kg 100kg değer C H O N Cl F Kül H2O 40 15 20 4 4 1 8 8 3.33 7.50 0.63 0.14 0.06 0.03 0.44 3.33 3.71 -0.63 7.41 CO2 H2O N2 HF HCl 3.33 7.41 0.14 0.12 0.60 0.44 100 (3.76)*stok.O2= stok.O2 stok.N2 hava 6.41 24.10 30.51 3.33 0.14 24.10 7.85 24.24 0.06 0.12 Gerçek hava debisi; Va = Vs (1+e); Vs=30.51 kmol/100kg Va = 30.51 (1+1) = 61.02 kmol/100kg (veya 610.2 kmol/ton) Va = 610.2 kmol/ton *22.4 = 13668.5 m3 (273 oK, 1 at.) Çürük gaz/100kg = Vyaş + e*Vs = 36 + 1*30.51 = 66.51 kmol/100kg Yaşgaz / 1000kg = 665.1 kmol/1000kg ? 665.1 *22.4 = 27282 m3 (500 oK, 1at.) HCl emisyonu = VHCl / ∑ yaş = 0.12/66.51 = 1.804 * 10-3 m3/m3 = 1804 ppm Hava fazlalık katsayısı, baca gazındaki oksijen veya CO2 ölçümünden bulunabilir. Ayrıca oksijen veya CO2 ölçümü, eldeki mevcut cihaza göre kuru veya yaş gaz bazında ölçülebilir. Baca gazı O2 deşimi = Fazla hava O2 derişim/Baca gazı hacmi Oksijenderişimi = [eVs]* 21 [Ws + eVs] (2) e= [O] Eğer Ws yaklaşık olarak Vs’ ye eşitse o zaman e = [O] / [21-O] [21-O] 138 CO2 Analizi CO2 çoğunlukla kuru bazda ölçülür. Baca gazındaki CO2 = Stok. CO2 hacmi Baca gazı hacmi [CO2]a = Wsd – [CO2]s Wsd = eVs Düzenlenirse; e= Wsd [CO2 ]s − 1 [[CO2 ]s − 1] = [CO2 ]a Vs[CO2 ]a (3) 6.2. Emisyonların İstenen Baza Göre Normalize Edilmesi Hava Kalitesinin Korunması Yönetmeliği’ne göre emisyonların çoğunlukla standart oksijen seviyelerine göre normalize edilmesi istenir. [%3,6 ve 11 vb.]. Bu sayede seyrelme etikleri ortadan kaldırılmış olur. Bu nedenle sistemin çalıştığı hava fazlalık katsayısı belirlenmelidir. Herhangi bir hava fazlalık katsayısı kullanma durumunda emisyon (e); e= kirleticinin hacmi ise, Baca gazının hacmi Herhangi bir hava fazlalık katsayısı için, Vp kirletici hacmi olmak üzere; e1 = Vp [Ws + e1V s ] (4) dir. Bir başka hava fazlalık katsayısı için; 139 e2 = Vp [Ws + e 2Vs ] (5) dir. Ortaya çıkan kirleticiler aynı miktarda olacağı için; e2 = e1 [1 + e1 (Vs / Ws )] e1 [1 + e1 ] ≈ [1 + e2 (Vs / Ws )] 1 + e2 (6) veya e2 = [O ] * e 21 [O ] 21 2 2 1 2 1 (7) Örnek 3 : Bir kimyasal tesiste %10’luk oksijen derişiminde ölçülen SO2 derişimi 800 ppm’ dir. Bu değeri kullanarak NTP koşullarında ve %6 oksijen derişimi için SO2 emisyonunu kuru bazda mg/m3 olarak hesaplayınız Çözüm 3 : Emisyon, e6 = [(21-6) / (21-10)] * 800 = 1090 ppm MSO2 = 64 Kütle emisyonu (NTP) = (64/22.4)* 1090 = 3114 mg/m3 Eğer başka bir sıcaklık ve basınçta emisyon gerekiyor ise (P=4 at, T=400 oK); (em)PT = (em )x(T1/T2 )x(P2/P1) = (3114)x(273/400)x(4/1) = 8501.2 mg/m3 6.3. Emisyon Birimlerinde Dönüştürme 140 Emisyon birimleri çoğunlukla mg/m3 veya μg/m3 olarak istenir. Bazen ppm değerleri bu birimlerle dönüştürülmek istenir. Ppm = m3/m3 * 10-6 (273 oK, 101.33 Kn/m-2 –at.) 1m3 = 1/22.4 kmol = (MA/22.4) kg (MA = Moleküler ağırlık) [ppm] = [MA/22.4]* 10-6 kg/m3 1 kg = 106 mg = 109 μg [ppm] = [MA/22.4] mg/m3 veya [MA/22.4]*103 μg/m3 Em (mg/m3) Eμ (μg/m3) Em = e [MA/22.4] Eμ = e [MA/22.4]* 103 Değişik sıcaklık ve basınca uyarlamalarında gaz kanunları kullanılırak aşağıdaki düzeltmeler yapılır. 7.0. YAKITLARIN ISLAHI Yakıtların ıslahı konusu yakıtın türüne göre değişik şekillerde gerçekleşmektedir. En zor ve pahalı olanı katı yakıtların ıslahıdır. Önceki bölümlerde özellikleri verilen çeşitli yakıtlar içerisinde linyitlerin olumsuz özelliklerini gidermek çok zor olabilmektedir. Gerek ülkemiz gerekse hava kirliliği açısından önemli olması nedeniyle burada yalnızca Türk linyitlerinin ıslahı üzerinde durulacaktır. Linyitlerin iyileştirme hedefleri aşağıdaki şekilde verilebilir. a) Kükürt oranının düşürülmesi ve yanar kükürdün EPA standartlarının altında olması, b) Kül oranının düşürülmesi, c) Isıl değerinin yükseltilmesi, d) Yanma özelliklerinin arttırılması. a) Kükürt Oranının Düşürülmesi Katı yakıtlardaki kükürt; pritik, sülfat ve organik kükürt olmak üzere üç ana gruba ayrılabilir. Kükürt giderme teknolojileri bu kükürt türü oranlarına göre belirlenir. Sülfat kükürdünün çok olması hava kirliliğini olumlu etkilerken, pritik ve organik 141 kükürdün yüksek olması olumsuz bir etki yaratmaktadır. Kömür kükürdünün giderilebilmesi için için kullanılacak yöntemler şunlardır: Yıkama Ekonomik açıdan yıkama ve flotasyon uygulaması ilk düşünülecek yöntemlerdir. Burada kömürdeki kükürdün organik ve inorganik kısımları arasındaki yağunluk farkından yararlanılarak bu kısımlar birbirinden ayrılabilir. Böylece kömür, anorganik kısımda kalan pritik kükürtten arındırılmış olur. Ancak ülkemiz linyitlerinin genellikle organik kükürt içermesi nedeniyle uygulamada başarı sınırlıdır. Yapılan çalışmalarda, yıkama yolu ile, Taşkale, Beypazarı ve Çan linyitleri için sıra ile %78.9, % 18 ve % 72’lik kükürt giderme verimleri elde edilmiştir [14]. Bu olumlu sonuçlara rağmen kükürdün fiziksel uygulamalarla yakıttan uzaklaştırılması ülkemiz linyitleri için genellikle başarılı olmamaktadır. Isıl İşlemler Kömürler oksijensiz ortamda ısıtıldıklarında uçucu maddelerini salarak geriye kok bırakırlar. Uçucu madde içerisinde esas olarak H2S halinde bulunan kükürdün gazdan temizlenmesi katı linyite göre daha kolay ve ucuzdur. Çeşitli Türk linyitleri 3 oC/dak. Isıtma hızıyla 440 oC sıcaklıkta piroliz edilmiş ve kükürtten arındırılmaya çalışılmıştır [15]. Yapılan çalışmalarda Tunçbilek, Beypazarı, Soma, Yatağan, Elbistan ve Seyitömer kok kalıntılarında sırasıyla 5.11, 12.69, 1.23, 5.22, 13.14 ve 3.21 g SO2/106 kal. olan kükürt emisyon değerleri EPA sınır değeriyle (2.2 g SO2/106 kal.) kıyaslanınca pirolizin başarılı olduğu tek örneğin Soma olduğu anlaşılmaktadır. Kimyasal ve Biyokimyasal İşlemler Isıl işlem sonucu organik yapıdan uzaklaştırılamayan kükürdün giderilmesi için kimyasal yollar kullanılır. Çan linyiti üzerinde yapılan bir çalışmada, %8’lik NaOH ile 200 oC’da 0.032-0.074 mm tanecik boyutlarında reaksiyona sokulan örneklerde pritik kükürdün %95, sülfat kükürdünün %67 ve organik kükürdün %25 oranlarında giderilmesi sağlanabilmiştir. Ancak prosesin ekonomisi olumsuz bulunmuştur. Bakteriyel özütleme yöntemi ile Türk linyitlerinin kükürt gidermesi üzerinde de çalışmalar yapılmıştır [16]. Ancak bu yöntem pritik kükürt gidermede etkin olabilmektedir. Bazı ülkelerde organik kükürdü yok eden bakteriler üzerine çalışmalar sürmektedir. b) Kül Oranının Düşürülmesi ve Isıl Değerin Yükseltilmesi 142 Kömürlerde kül oranının düşürülmesi ve ısıl değerin yükseltilmesi ayni zamanda kükürt ve katı atık probleminin azalması yönünden de çok yararlı olabilmektedir. Bu işlem, bunun yanı sıra, taşıma maliyetine de olumlu bir katkıda bulunur. Bazı Türk linyitleri üzerinde gerçekleştirilen yıkama işlemleri sonucunda, çinko klorür ile kısmen olumlu sonuç alınmış ve kül oranları yarı yarıya azaltılabilmiştir [17]. Bu çalışmalarda ısıl değerlere de bir artış gözlenmiştir. Ancak Türk linyitlerinin çoğunluğunun yıkama işlemine uygun olmayan bir yapıya sahip olduğu anlaşılmaktadır. c) Yanma Özelliklerinin İyileştirilmesi Düşük ısıl değerli linyitleri yüksek sıcaklıkta yakan sistemlerde karşılaşılan sorunların üstesinden gelmek için akışkan yataklı yakıcılar kullanmak, yakıtı parçalamak ve uygun ise kül oranınnı düşürmek zorunludur. Tozlaşma nedeniyle yanma veriminin düşmesini önlemek için biriketleme uygulanabilmektedir. Ayrıca mevcut yakma sistemleri uçucu madde oranı yüksek linyitler için ikincil yanma önlemleri alınacak şekilde tasarlanmalıdır. Böylelikle NOx oluşumu kısmen kontrol altına alınabilecektir. GENEL DEĞERLENDİRME Petrol dışalımı nedeni ile, Türkiye genel anlamda enerji açısından yurtdışına bağımlı bir ülke durumundadır. Diğer bir bağımlılık ise, son zamanlardaki gelişmelerle ortaya çıkan doğalgaz ile olacaktır. Dünyada gelişen politik olaylar, kısa ve orta vadede enerjide süreklilik ve güvenilirlik konusunda dışa bağımlılığın riskini azaltmıştır. Ancak günümüzde enerji fiyatlarını belirleyen en temel etken, uluslararası petrol fiyatlarıdır. 1993 ve 1979 yıllarında gerçekleşen 1. ve 2. petrol krizlerinden sonra hızlı bir artış gösteren petrol fiyatları önemli ölçüde artabilir. Bunun nedeni, petrol fiyatlarının gerçek değerinin çok altında tutulmasındandır. Böyle bir tırmanmanın yaratacağı atmosfer 1970’lerdeki enerji krizlerinde yaşananla kıyaslanarak tahmin edilebilir. Olası bir enerji krizinde şüphesiz tüm yakıtların fiyatları artacaktır. Bugünün enerji fiyatları esas alınarak geliştirilecek çevre politikaları enerji fiyatlarındaki mümkün kararsızlıkları değerlendirmek zorundadır. Örneğin, çevre kirliliğini önleme yöntemi olarak, kaliteli kömürlerin ithali yerine linyitlerimizin temiz olarak yakılması daha ekonomik olabilir. Türk linyitleri, yüksek kükürt ve düşük ortalam ısıl değerleri, görece yüksek Na ve K içerikleri ve düşük sinterleşme sıcaklıkları gibi özellikleri nedeniyle büyük oranda çevre kirliliğine neden olabilmektedir. Bu yakıtların yüksek kirlilik potansiyellerinin yanı sıra münferit olarak sobalarda çok düşük verimlerle yakılmaları nedeniyle, çevre 143 kirliliği yanında enerji kaybı açısından da olumsuz bir durum yaratmaktadır. Ekonomik açıdan, sobalardan kaynaklanan kirliliğin önlenmesine imkan yoktur. Türkiye’de hava kirliliğini önleme açısından linyitlerin, kirliliğin daha kolay kontrol edilebildiği termik santrallerde yakılması daha uygun olmaktadır. Santrallerde çevre kirliliğini önlenebilmesi açısından açısından etkin ve kontrollü sıyırma sistemlerinin kullanılması yoluna gidilmelidir. Çeşitli yakıtların kirletme potansiyelleri Çizelge 14'te kıyaslanmıştır. Çizelge 14. 1 Ton Petrol Eşdeğeri Kömür, Fuel-Oil ve Doğal Gazın Hava Kirliliği Kıyaslaması [18]. Yakıt Cinsi Tanecik (kg) SO2 (kg) NOx % 1 S1 % 10 kül içeren kömür 100 29.2 11.5 % 1 S içeren fuel-oil 1.8 20.0 8.2 Doğal Gaz 0.3 4.3 Bu tablodan görüldüğü gibi doğal gaz, NOx açısından da kömür ve fuel-oil’e kıyasla kirliliğe en az neden olan yakıttır. Ancak doğal gazın yanması sonucunda ortaya en fazla kirlilik Nox kirliliğidir. Doğal gaz kullanılması hava kirliliğini azaltmak açısından olumlu bir uygulamadır. Ancak önümüzdeki birkaç yılda tükenmesi beklenen nispeten temiz kömürlerin yerine ikame edilecek çok daha kirletici linyitlerin olumsuz etkisi hava kirliliğini ters yönde etkileyebilecektir. Bu durumu gözardı etmeden şimdiden gerekli önlemlerin alınmasında yarar vardır. KAYNAKLAR 1. United Nations, Kyoto Protocol to the Unt’s Framework Convention on Climate Change, FCCC/CP 1997/L.7 Add. 1, 1997. 2. Ekinci, E., Türe, E., Tırıs, M., Enerji Kullanımı ve Hava Kirliliği, Çevre Eylem Planı, DPT, 1996. 3. Tırıs, M., Çimento Üretimi, Çevre Enerji, TÇMB Yıl Toplantısı, Kıbrıs, 1997. 4. Energy Prices and Taxes, IEA, 1996. 5. Bayram, A., Yakma Tesislerinin Verimliliği ve Hava Kirliliği Türkiye 5. Enerji Kongresi, Teknik Oturum Tebliğleri, Kitap 4, 247-262, 1990. 6. Altaş, M., Fikret, H., Çelebi, E., Enerji İstatistikleri, Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi, Ankara, 1997.. 7. Atakül, H., Çan Linyitinin Akışkan Yatak Yanma Sürecindeki Davranımı, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul, 1986. 144 8. Ekinci, E., Okutan, H., Tolun, R., Milten Kömürlerinin Karakterizasyonu, TÜBİTAK-MAM Proje No:T49207E, 1992. 9. ETÜD İşleri 10. Yardım, M.F., Linyit Yakan Değişik Dağıtıcı Elekli Akışkan Yataklarda Ayrışma ve Aglomerasyon, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi , 1992. 11. Cumming J., Mac Laughlin, J., The Thermogravimetric Behaviour of Coal, Thermo Chemica Acta., 57, 253-72, 1982. 12. Ekinci, E., Yakıt, Yanma ve Hava Kirliliği, Hava Kirliliği Kaynakları ve Kontrolu, Ed. Tırıs, M., Okutan, H., Kalafatoğlu, E., TÜBİTAK-MAM, 1993. 13. Onat, K., Genceli, O.F., Arısoy, A., Buhar Kazanlarının Isıl Hesaplamaları, Denkelem Matbaası, İstanbul, 1989. 14. Tekin, A., Ekinci, E., Sulphur in Turkish Lignites and Possible Remedies, International J. of Env. Studies, 43, 105-114, 1989. 15. Gürüz, K., Çelebi, S., Sulphur Removal by Pyrolysis of Turkish Lignites, Fuel, 58, 893-897, 1979. 16. Doğan, M.Z., Özbayoğlu, G., Hiçyılmaz, C., Bacterial Leaching Versus Bacterial Conditioning 17. Floatation in Desulphurisation of Three Coals, International Symposium on BioHydrometallurgy, 165-170, 1985. 18. Akçura, F., Gerger, M., Başlıca Türk Kömürlerinin Özellikleri, MTA Raporu, 1981. 19. Kadırgan, N., Doğal Gaz Yanma Özellikleri, Yanma Ürünleri ve Hava Kirliliği, Doğal Gaz Yaz Okulu, TMMBO-KMO, İstanbul, 1989. 145 5. ISI YALITIMI 3.1. Isı Yalıtım Malzemelerinin Fonksiyonları 1. Boruların, kanalların, depoların, cihaz ve yapıların ısı kayıp ve kazancını azaltarak enerjiyi korur. 2. Kişisel korunma ve konfor için cihazlar veya yapıların yüzey sıcaklıklarını kontrol eder. 3. Kimyasal prosesler, küçük bir cihaz veya bir yapının sıcaklığını kontrol etmeğe yardımcı olur. 4. Çevre atmosferinin çiğ noktası altındaki sıcaklıklarında yüzeyde buharın yoğuşmasını önler. 5. Isıtma veya soğutma mevcut değilse veya ihtiyacı yoksa bir ortam içersindeki sıcaklık dalgalanmasını azaltır. 6. Kişisel konforun artırılması için iklimlendirilmiş bir ortam içindeki sıcaklık dalgalanmalarını azaltır. 7. Yangın korunması sağlar. Isı yalıtımı ilave fonksiyonlar sağlar, bunlar, onun esas amacı ve yeteneğine uygun olmalıdır. Belli şartlar altında yalıtımlar: 1. 2. 3. 4. Duvara, tavana veya döşemeye yapısal mukavemet katar. Son yüzey için destek sağlar. Hava sızıntısı ve su buharı geçişini engeller. Donma şartları ve yangına maruz durumlardan cihaz ve yapılardaki hasarı önler veya azaltır. 5. Ses ve titreşimi azaltır. Isı yalıtımları bütün sıcaklıklarda ısı geçişini kontrol etmek için kullanılır, limit değer dayanma sıcaklığıdır. Temel Isı Yalıtım Malzemeleri Anorganik malzemeler : Cam, kaya veya cüruf yünü gibi lifli ve hücreli malzemeler, kalsiyum silikat, bileşik perlit, vermikülit, seramik mamuller ve amyant. 146 Organik malzemeler : Pamuk, hayvan tüyü, ahşap, kağıt hamuru, kamış gibi lifli organik maddeler, ve mantar, sünger, gibi hücreli organik malzemeler. Sentetik malzemeler : Polistiren, poliüretan ve diğer polimerler gibi hücreli malzemeler Metalik veya metalleştirilmiş organik yansıtıcı malzemeler : Bu yüzeylerin etkili olmaları için havaya, gaz dolgulu veya vakumlu boşluklara bakmaları gerekmektedir. Fiziksel Yapı ve Şekillerine Göre Yalıtım Malzemeleri Isı geçişini azaltan kütle-tip yalıtım, hücresel, taneli veya lifli katı malzemeler olabilir. Yansıtıcı yalıtım, metal folyonun pürüzsüz yüzeyli tabakaları veya hava boşlukları ile ayrılmış folyo-yüzeyli malzemelerdir. Endüstriyel ve bina yalıtımlarının fiziksel şekilleri aşağıdakileri kapsamaktadır. Gevşek dolgulu yalıtım Lifler, tozlar, tanecikler veya nodüllerden ibaret olup genellikle duvarların veya diğer boşlukların içine boşaltılır veya püskürtülür. Yalıtım çimentosu Gevşek bir malzeme olup yapışma ve plastiklik elde etmek için uygun bir tutkal veya su ile karıştırılır. Yüzeylere ıslak püskürtülür veya sıvanarak yerinde kurutulur. Gevşek-dolgu ve yalıtım çimentosu düzgün olmayan boşlukların kapatılması için uygundur. Esnek ve yarı rijit yalıtım Tutkallı veya tutkalsız değişen esneklik ve sıkışkanlıkta organik veya inorganik malzemelerden ibarettir. Bu yalıtımlar genellikle levha ve rulo şeklinde örtü ve fitil yalıtım olarak mevcuttur. Örtme ve yüzey kaplama bir veya iki tarafına bağlanır ve takviye olarak iş görür; hava veya buhar kesici veya her ikisi; yansıtıcı yüzeyler; veya son yüzey. Bu örtüler lamine folyo, cam, kumaş veya plastik ve kağıt, tel örgü veya metal çıta karmalarını içerir. Genellikle standart ölçüler kullanıldığı halde yalıtımın kalınlığı ve şekli uygun kullanımlı herhangi bir boyutta olabilir. Rijit malzemeler İmalat esnasında şekillendirilmiş standart uzunluk, genişlik ve kalınlıkta prizmatik bloklar, levha veya plakalar şeklinde mevcuttur. Borular ve eğri yüzeyler için yalıtım, 147 eğrilik yarıçapı bütün standart ölçülerde borulara uyan segmentler veya parçalar halinde temin edilir; ayrıca çok büyük çaplarda da temin edilebilir. Yansıtıcı malzemeler tek veya çok tabakalı plaka veya rulo olarak ve hava boşlukları ile önşekillendirilmiş biçimde mevcuttur. Yerinde şekillendirilen yalıtımlar Rijit veya yarı rijit sünger yalıtım meydana getirmek için yerinde dökülen, köpürtülen veya sprey edilen sıvı bileşenler veya genişleyebilen topaklar şeklinde mevcuttur. Sıvı tutkal ile karıştırılan lifli malzemelerde yerinde sprey edilebilir ve bazı malzemelerde tutkal aynı zamanda bir köpüktür. Teferruat malzemeler Mekanik ve yapışkan bağlayıcılar, iç ve dış son yüzeyler, buhar ve hava kesici kaplamalar, sızdırmazlar, kenar köşe bantları, membranlar ve parlatıcı bileşenlerdir. Isı Yalıtım Malzemelerinin Özelikleri Isıl yalıtımın seçimi, öncelikli özelik düşük ısıl katsayısına ilave olarak, esneklik veya rijitlik, akustik enerji absorbsiyonu, su buharı geçirgenliği, hava akışına direnç, yanma tehlikesi ve yangın direnci, uygulama kolaylığı, uygulama maliyeti, sağlık ve güvenlik yönü ve diğer parametreler gibi karakteristikler hemen hemen eşit ısıl performans değerlerine sahip malzemeler arasında seçimi etkileyebilir. • • • • • Isıl Mekanik Sağlık ve güvenlik Akustik diğerleri DUVARLARDA ISI YALITIMI Isı Geçişi Q = KF (T1a − T2 a ) (T −T ) (T1a −T2a ) Q q = = K(T1a −T2a ) = 1a 2a = F ΣR R1a + R1 +...+ R2a 148 1 1 l1 l 2 1 = + + + ... + K h1 k1 k 2 h2 Örnek 1: Tuğla ve çelik gövdeden müteşekkil fırın duvarında, aşağıdaki şartlar için, geçen ısı miktarı ile ara yüzey ve dış yüzey sıcaklıklarını hesaplayınız. Fırın iç yüzey sıcaklığı T1 = 500oC Refrakter tuğla, kalınlığı 20 cm, k1 =2.5 W/mK Çelik gövde, kalınlığı 1 cm, k2 = 50 W/mK Dış ortam sıcaklığı T2a = 20oC T1 ve T2a arasında geçen ısı miktarı q = K (T1 − T2 a ) ΣR = 1 l1 l 2 1 = + + K k1 k 2 h2 1 0.20 0.01 1 = + + = 0.08+ 0.0002+ 0.05= 0.1302 K 2.5 50 20 K= 7.68 W/m2K q = 7.68 (500 – 20 ) = 3686 W/m2 T2 ara yüzey sıcaklığının bulunması için T1 ve T2 veya T2 ve T2a arasında geçen ısı miktarını veren denklem yazılmalıdır. q = K (T1 – T2), 1/K = l1 / k1 = 0.20/2.5 =0.08, K = 12.5 W/m2K 3686 =12.5 (500 – T2) ∴ T2 = 205oC Benzer şekilde T3 dış yüzey sıcaklığı hesaplanır. 149 q = K (T1 – T3) = h (T3 – T2a) K = h2 = 20 W/m2K 1/K = 1/h2 = 1/20 3686 = 20 (T3 – 20) ∴T 3 = 204.38oC Fırının dış yüzüne yalıtım yapılırsa ! Isı geçişine ilave yalıtımın (cam yünü 20 cm, k = 0.035 W/mK) direnci eklenir. q = K (T1 – T2a) l l 1 l1 1 = + 2 + 3 + K k1 k 2 k 3 h 2 1 0.20 = 0.08 + 0.0002 + + 0.05 = 5.844 0.035 K K = 0.171 W/m2K q = 0.171 (500 – 20) = 82.12 W/m2 T2 sıcaklığının hesaplanması : q = K(T1 – T2 ) , 1/K = 0.08, K=12.5 W/m2K 82.12 = 12.5 (500 – T2) ve buradan T 2 = 493oC T2 yaklaşık olarak T3 e eşit olacaktır. Bu sıcaklık için cam yünü uygun değildir. Bunun yerine bu mertebedeki sıcaklık için uygun olan kaya yünü k3 =0.06 W/mK kullanılabilir. T1 ve T2a arasında, K = 0.288 W/m2K ve q = 0.288 (500 – 20) =138.58 W/m2 hesaplanır. T2 sıcaklığının yeni değeri 150 138.58 = 12.5 (500 – T2) ifadesinden T2 = 488.91oC ve dış yüzey sıcaklığı q = h (T4 – T2a) ifadesinden T4 = 27o C elde edilir. 138.88 = 20 (T4 – 20) Örnek 2 : Üç tabakalı duvar yalıtımından geçen ısı miktarı ve ara yüzey sıcaklıklarını hesaplayınız. Fırın iç yüzey sıcaklığı T1 = 1500oC 1. tabaka magnezit,kalınlığı 25 cm, k=2.9 W/mK 2. tabaka hafif refrakter tuğla , kalınlığı 25 cm, k=0.8 W/mK 3. tabaka kizelgur, kalınlığı 15 cm, k=0.14 W/mK Dış yüzeyde ölçülen sıcaklık T2 = 84 oC Duvarda sıcaklık dağılımı lineerdir, bu bilgiler ara yüzey sıcaklıklarının bulunması için yeterlidir. Duvardan geçen ısı miktarı, q= Q 1500 − 84 = 963 W/m 2 = F 0.25 0.25 0.15 + + 2.9 0.80 0.14 Ara yüzey sıcaklıkları 963 ⎞ ⎛ T2 = ⎜1500 − 0.25 ⎟ = 1417 o C 2.9 ⎠ ⎝ 151 963 ⎛ ⎞ T3 = ⎜1417 − 0.25 ⎟ = 1116 o C 0.80 ⎝ ⎠ ve verildiği gibi 963 ⎛ ⎞ T4 = ⎜1116 − 0.15 ⎟ = 84 o C 0.14 ⎝ ⎠ 2000 1000 T, o C 1500 500 0 0 0.2 0.4 x, 0.6 0.8 m BORULARDA ISI YALITIMI Çıplak boru Q= 2πL(T1a − T2 a ) r 1 1 1 + ln 2 + h1 r1 k1 r1 h2 r2 Yalıtılmış boru Q= 2πL(T1a − T2 a ) r r 1 1 1 1 + ln 2 + ln 3 + h1 r1 k1 r1 k 2 r2 h2 r3 Yalıtımın yararlı olması için kritik yalıtım yarıçapı kontrol edilmelidir. 152 1 r3 1 1 ln + ≥ k2 r2 h2r3 h2r2 rkritik= , k2 h2 , rkritik〈r2 Örnek 1: Kritik yalıtım yarıçapının hesaplanması : Çıplak haldeki borunun dış yarıçapı r2 = 0.0125 m, Dış taraf ısı taşınım katsayısı h2 = 20 W/m2K olsun. (k2,W/mK) (2.9) (1.21) (0.8) (0.20) (0.035) Yalıtım, Magnezit, Al oksit tuğla, Refrakter tuğla, Yalıtım tuğlası, Cam yünü, rkritik , (r3,m) 2.9/20 = 0.145 1.21/20 = 0.06 0.8/20 = 0.04 0.20/20 = 0.01 0.035/20 = 0.00175 Cam yünü ve yalıtım tuğlası dışında uygulanacak yalıtımlar ısı kaybını azaltacağı yerde, kritik yarı çapa kadar artıracak daha sonra azaltacaktır. Aşağıdaki diyagramda, r3h2/k2 parametreleri ile r3/r2 oranına bağlı olarak Qçıplak/Qyalıtımlı ısı geçiş oranının değişimi gösterilmektedir. 0.1 0.5 1 2 5 10 3 Qç/Qy 2 1 0 1 2 3 4 5 6 r3/r2 153 7 8 9 10 Örnek 2 : İç yarıçapı r1 , dış yarıçapı r2 olan bir çelik boruya iki tabakalı yalıtım yapılmaktadır. Borunun yalıtımlı ve yalıtımsız hallerinde kaybettiği ısı miktarını hesaplayınız. Yalıtım tabakaları yer değiştirdiğinde ısı geçişindeki değişme nedir. r1 = 0.01 m T1a = 90 C , T2a = -10 C r2 = 0.0125 m h1 =7000 W/m2K , h2 = 20 W/m2 K r3 = 0.0125+0.025 = 0.0375m r4 = 0.0125+0.025+0.025 = 0.0625 m k1=50 W/mK , k2 = 0.06 W/mK , k3 = 0.02 W/mK Çıplak boru Q= 2π1(90−(−10)) =156W / m 1 1 0.0125 1 + ln + 7000x0.01 50 0.01 20x0.0125 Yalıtımlı boru Q= Yalıtımlar yer değiştirirse 2πL(T1a − T2a ) 1 1 r 1 r 1 r 1 + ln 2 + ln 3 + ln 4 h1r1 k1 r1 k 2 r2 k3 r3 h2 r4 628 Q= = 14.07 W / m 0.818 + 43.81 k2 →k3 , Q= k3→k2 628 = 9.77 W / m 0.818 + 63.44 154 Isı iletim katsayısı küçük olan yalıtım malzemesi daha önce konmalıdır. Çıplak boruya göre değişmeler 100 (156 –14.07) / 156 = % 90.09 100 (156 – 9.8) / 156 = % 93.73 Örnek 3 : Çelik boru iç çapı 37 mm, dış çapı 40 mm, yüzey sıcaklığı 600oC olup 1.yalıtım tabakası kizelgur refrakter tuğla, k=0.14 W/mK, kalınlığı 25 mm 2.yalıtım tabakası kaya yünü, k=0.06 W/mK, kalınlığı 45 mm olacak şekilde yalıtılmaktadır. Yalıtımın dış yüzeyindeki sıcaklık 350C ise ısı geçişi ve ara yüzey sıcaklıklarını hesaplayınız. İlk yapılacak iş borunun birim uzunluğu için ısı geçişinin hesaplanmasıdır. Q = l 2π (600 − 35) = 205 W / m 1 0.09 1 0.18 ln ln + 0.14 0.04 0.06 0.09 Birinci ve ikinci tabaka ara yüzeyindeki sıcaklığın bulunması Q 2π (T1 − T2 ) = = 205 W / m 1 r2 l ln k1 r1 T2 = T1 − Q r2 205 0.045 ln = 600− ln = 411o C 2πlk1 r1 2π0.14 0.02 155 veya birinci tabaka içersindeki sıcaklıkların bulunması istenseydi T = T1 − r, m T, oC 0.02 600 0.025 548 r Q ln 2πlk1 r1 0.030 505 r1 ≤ r ≤ r2 0.035 469 0.040 438 0.045=r2 411=T2 İkinci tabakada , T2 = 411oC r Q 205 r ln = 411 ln 2πlk 2 r2 2π 0.06 0.045 r, m 0.045 0.050 0.060 T, oC 411 354 255 T = T2 − r2 ≤ r ≤ r3 0.070 171 0.080 99 0.090=r3 35=T3 700 600 T, o C 500 400 300 200 100 0 0 0.025 0.05 r, [ Q0 = Q12 = σε 12 A1 T14 − T24 ] (1) σ = 5.67 10 −8 W/m 2 K 4 1 1 A1 ⎛ 1 ⎞ = + ⎜ −1⎟ ε12 ε1 A2 ⎜⎝ε2 ⎟⎠ 1 1 A1⎛ 1 ⎞ 1 1 A3 ⎛ 1 ⎞ = + ⎜ −1⎟ = + ⎜ −1⎟ ε13 ε1 A3⎜⎝ε3 ⎟⎠ ε32 ε3 A2 ⎜⎝ε2 ⎟⎠ 156 m 0.075 0.1 [ Q p = Q13 = σε13 A1 T14 − T34 [ ] ] Qp =Q32 =σε32A3 T34 −T24 Qp Q0 = (2) (3) ε 13ε 32 A1 A3 (ε 13 A1 + ε 32 A3 )ε 12 A1 Örnek 1: Çapları D1 ve D2 olan iki boru arasına D3 çaplı bir ışınım perdesi yerleştirildiğinde ışınımla geçen ısı miktarındaki değişme nedir. D1 = 0.50 m T1 = 700 K ε1 = 0.8 A1 = π D1 L D2 = 0.60 m T2 = 320 K ε2 = 0.5 A2 = π D2 L D3 = 0.55 m A3 = π D3 L ε3 = 0.02 1 = 1 ε12 ε1 + A1 ⎛ 1 ⎞ 1 π 0.5L ⎛ 1 ⎞ ⎜ − 1⎟ = + ⎜ − 1⎟ A2 ⎜⎝ ε 2 ⎟⎠ 0.8 π 0.6L ⎝ 0.5 ⎠ ε12 = 0.48 ε13 = 0.021 Q0 = Q12 = 5.67 10-8 0.48 (π 0.5) [7004 - 3204] = 9811 W/m Qp 0.021 0.0196 (0.5πL) (0.55πL) = Q0 (0.021 0.5π L + 0.01960.55πL)0.48(0.5πL) Qp = 215 W/m (2) ve (3) denklemlerinden T3 = 595 K (=322 oC) 157 ε32 = 0.0196 Örnek 2: Yüzey sıcaklıları T1 ve T2 olan çok büyük iki levha arasına her iki yüzü aynı yayma katsayılı iki ışınım perdesi yerleştirildiğinde ısı geçişindeki değişmeyi hesaplayınız. ε1 = 1 ε3 = 0.04 ε4 = 0.04 ε2 = 1 T1 =700 K T2 = 300 K A1 = A2 = A3 = A4 1 1 ⎛ 1 ⎞ 1 1 ⎛1 ⎞ 1 1 ⎛ 1 ⎞ 1 1 ⎛ 1 ⎞ = +⎜ −1⎟ = +⎜ −1⎟ = +⎜ −1⎟ = +⎜ −1⎟ ε12 ε1 ⎜⎝ε2 ⎟⎠ ε13 ε1 ⎜⎝ε3 ⎟⎠ ε34 ε3 ⎜⎝ε4 ⎟⎠ ε42 ε4 ⎜⎝ε2 ⎟⎠ ε12 = 1 ε13 = 1/25 ε34 = 1/49 ε42 = 1/25 Q0 = Q12 = 5.67 10-8 1 1 [7004 - 3004] = 13154 W/m2 Qp/Q0 = 1/(1/ε13 + 1/ε34 + 1/ε42 ) = 1/99 Qp = 133 W/m2 Paralel ışınım perdelerinde ε1 = ε2 =ε3 = ….. ise ε12 =ε13 =ε34 =ε45 = ….. olup, n araya konan perde sayısı ise Qp Qo = 1 n +1 158 3.ATIK ISI GERİ KAZANIMI • • • • Enerjinin açığa çıkması (kimyasal enerji → ısı enerjisi) Enerjinin diğer formlara dönüşmesi (mekanik, elektrik) Enerjinin kullanımı Enerjinin çevreye atılması Isı, ışık, ses veya titreşim şeklindeki, kısmi enerji atığı her bir proseste meydana gelir, serbest kalan enerjinin seviyesi giderek azalır ve ortamda birikir. Enerji zinciri boyunca herhangi bir aşamada atık ısı geri kazanılarak daha düşük seviyedeki faydalı amaçlar için kullanılabilir. (örneğin: ısıtma, güç üretiminde ön ısıtma, kurutma vb.). atık ısı geri kazanımı enerji kullanımının toplam verimini geliştirir. • • Atık ısı kaynağı Kullanım amacı Atık ısı geri kazanımında çok sayıda farklı teknik kullanılmaktadır. Her bir ısı geri kazanımı iki temel sınıfa ayrılan ısı değiştiricisi kullanılır: reküperatörler ve rejeneratörler. REKÜPERATİF ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Q = KFΔT K : toplam ısı geçiş katsayısı, W/m2K F : ısı geçiş alanı, m2 ΔT : sıcaklık karkı, 0C Toplam ısı geçiş katsayısı: 1 1 δ 1 = + + KF h1 F k s F h2 F Akışkan ve yüzey arasında ısı taşınım katsayısı: 159 Nu = c Re n Pr 0.33 Türbülanslı akışta, borular içersinde ısı taşınım katsayısı: Nu = hD = 0.023 Re 0.8 Pr 0.33 k Tablo 1. Tipik ısı taşınım ve toplam ısı geçiş katsayıları, çelik boru δ=3mm, k= 45W/mK Sıcak taraftan Sıcak taraf Sıcak taraf Soğuk taraf Soğuk taraf Toplam soğuk tarafa h,W/m2K hızı, m/s h, W/m2K hızı, m/s K, W/m2K Hava- hava 28.4 4.58 28.4 4.58 14.2 Hava- hava 56.8 12.2 56.8 12.2 28.4 Hava- su 28.4 4.58 4090 1.52 28.1 Hava- su 56.8 12.2 4090 1.52 56.2 Su- su 4090 1.52 4090 1.52 1760 Yağ- yağ 510 1.52 510 1.52 256 Y. buh. - K. su 11400 5768 2980 Y. buhar - su 11400 1136 1.52 960 Y. buhar - yağ 11400 510 1.52 477 Yağ- su 510 1.52 4090 1.52 440 Yağ- hava 510 1.52 28.4 4.58 25.8 Ortalama sıcaklık farkı: ΔT = ΔTg − ΔTç ΔTg In ΔTç Enerji korunumu: Q = m1c1 (T1g – T1ç) = m2c2 (T2ç – T2g) 160 Basınç kaybı: ΔP = f L 1 ρU 2 Dh 2 Pompa gücü: W = ΔPFaU Isı değiştirici etkenliği: ε = gerçek ısı geçişi / mümkün maksimum ısı geçişi Gerçek ısı geçişi Q = M1 (T1g – T1ç) = M2 (T2ç – T2g) M1 = m1c1 , M2 = m2c2 Maksimum ısı geçişi her bir akışkanın ısı kütlelerine bağlıdır. M1 > M2 ise M 1 T2 ç − T2 g = 〉1 M 2 T1g − T1ç Maksimum ısı geçişi T2ç, T1g ye eriştiğinde meydana gelir. Qmax = M2 (T2ç – T2g) = M2(T1g – T2g) ve ε= M 1 (T1g − T1ç ) M 2 (T1g − T2 g ) 161 Isı değiştiricisinin etkenliği biliniyorsa T1ç bu denklemden hesaplanabilir. T2ç ise enerji korunum denkleminden hesaplanır. Alternatif olarak M1 < M2 ise, M 1 T2ç − T2 g = <1 M 2 T1g − T1ç olur. Benzer şekilde maksimum ısı geçişi T1ç = T2g durumunda meydana gelir. Qmax = M1 (T1g – T1ç) = M1(T1g – T2ç) ε= M 2 (T2ç − T2 g ) M 1 (T1g − T2 g ) Isı değiştiricisinin etkenliği biliniyorsa T2ç denklemlerinden hesaplanabilir. ve T1ç etkenlik ve enerji korunum Etkenlik ifadeleri yardımıyla Q= εMmin (T1g – T2g) = M1(T1g – T1ç) = M2(T2ç – T2g) yazılabilir. Etkenlik ifadeleri ayrıca, ters akışlı ısı değiştiricilerinde ε= 1− exp[KF(1/ M1 −1/ M2 )] ⎧1 ⎫ 1 Mmin⎨ − expKF(1/ M1 −1/ M2) ⎬ ⎩ M2 M2 ⎭ [ 162 ] ve paralel akışlı ısı değiştiricilerinde ε= 1 − exp[− KF /(1 + M 1 / M 2 )] ⎡ 1 1 ⎤ + M min ⎢ ⎥ ⎣ M1 M 2 ⎦ şeklindedir. Değişik tip ısı değiştiricileri için etkenlik ifadeleri grafik veya formüller halinde verilmektedir. Bu gösterimlerde, transfer birimleri sayısı (NTU) ve Mmax/Mmin oranına bağlıdır. Tanım gereği NTU = KF / Mmin şeklindedir. REJENERATİF ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Bu tip ısı değiştiricilerinde sıcak ve soğuk akışkan aynı ısı geçiş yüzeyleri üzerinden alternatif olarak geçerler. Bu yüzeyler katı paletler, refrakter katılar (yüksek sıcaklıklar için) veya metal matrislerle ( düşük sıcaklıklar için) kısmen doldurulmuş tek veya çok akış kanallarından ibarettir. Rejenaratörler genellikle düşük ısı kapasiteli gazlar ve diğer akışkanlardan ısı çekmek için kullanılır. Son derece yüksek sıcaklıklarda veya alışılmış reküperatörlerin tıkanabileceği kül veya tanecik taşıyan gazlar için kullanılabilir. Bir çevrim esnasında, kullanılan ısı depolayıcılar sıcak gazlar üzerinden geçtiğinde ısıyı iç enerji olarak depolar. İkinci çevrimde, soğuk akışkan rejenaratör içersinden geçerken iç enerji serbest bırakılır. Rejeneratif ısı geçiş sistemleri paralel, ters veya çapraz akışlı ve tek veya çok geçişli olarak düzenlenebilir. Rejeneratörün avantajı birim ağırlık ve hacim başına yüksek ısı geçiş etkenliğine sahip olmasıdır. Bu nedenle reküperatörlere nazaran çok daha derli toplu ısı geçiş yüzeyleri kullanılabilir. (24 mesh matris, 1000m2/m3). Isı geçiş yüzeyleri genellikle birim alan başına daha ucuzdur. Ters akışlar nedeniyle daimi durgun akış bölgeleri oluşmaz ve sistem kendi kendini temizler. En önemli tasarım problemi, özellikle yüksek sıcaklık ve basınçlarda akışkanlar arasındaki kaçakların önlenmesidir. Rejenaratörler, yüksek fırınlarda, gaz 163 sıvılaştırma tesislerinde ve atık ısı geri kazanım proseslerinde hava ön ısıtıcısı olarak başarıyla kullanılmaktadır. Rejeneratör tipler: Periyodik akış jeneratörlerinin iki temel tipi bulunmaktadır. Döner sistemler ve valfli sistemler. Döner sistemler eksenel veya radyal akışlı olabilir, valfli düzenlemeler iki denk matrise sahiptir. Kontrol valflerinin periyodik açılıp kapanması ile her biri sıcak veya soğuk akış matrisi olarak işlev görür. Döner ve valfli sistemlerin her ikisi için aynı tasarım işlemi uygulanır. Çünkü, tek döner matris kütlesi x (devir/saniye), iki valfli matrisin kütlesi / valf operasyonunun periyoduna eşdeğerdir. Rejeneratör tasarımı: Tasarım teorisi karmaşıktır ve kompüter çözümü gerektiren etkenlik-NTU ilişkisini kullanır. Ancak, etkenlik değerleri tablolanmış ve matris kapasitesi, NTU ve Mmax/Mmin nin bir fonksiyonu olarak çizilmiştir. ε = ƒ (NTU’ , Mmax, Mmin, Mrot/Mmin) transfer birimleri sayısının değiştirilmiş şekli NTU ′ = 1 M min ⎛ 1 1 ⎞ ⎟⎟ − 1 ⎜⎜ + ⎝ hF2 hF1 ⎠ olarak tanımlanır. Matris kapasitesi Mrot Mrot = (kütle) x (katının özgül ısısı) = ( saniyedeki devir sayısı) x (matris kütlesi) x c şeklindedir. Etkenlik değeri kararlaştırıldığında, tasarım işlemi reküperatörlerde yapılanın tamamıyla aynıdır. 164 DOLAYLI TİP ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ Havadan havaya ısı geçişi uygulamalarında, tek bir jeneratör ve reküperatör kullanımı taze hava girişi ve ekzos havası çıkışının tesiste aynı yerde olmasını gerekli kılan bir olumsuzluğa sahiptir. Dolaylı tip ısı değiştiricilerinde giriş ve ekzos havası akışları ayrı ayrı yerlerdedir. Isı geçişini sağlayan akışkan yalıtılmış bir borudan pompa vasıtasıyla iki hava-akışkan reküperatörü arasında dolaştırılır. Bu nedenle, ısı değiştiriciler tesise bir kısıtlama getirmeden birbirlerinden uzakta uygun biçimde yerleştirilebilir. ISI BORULARI Isı borusu ısıl enerjinin verimli geçişini sağlayan bir cihazdır. Şekil1’de gösterildiği gibi ısı borusunun bir ucundan ısıtılması ile kullanılan akışkan buharlaşır ve diğer uca sürülen buhar orada gizli ısısını vermek suretiyle yoğuşur. Cidar üzerindeki kılcal gözenekli ortam da yüzey gerilimi kuvvetleri ile yoğuşucu buharlaştırıcıya geri taşır. Isı borusu buhar bölgesinde basınç değişmeleri normal olarak küçük olduğundan, boru genellikle izotermale yakın ve buhar basıncına karşı gelen doymuş buhar sıcaklığında çalışır. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu iki uç arasında küçük sıcaklık farkında çok büyük ısı miktarının taşınması özelliği ısı iletimindeki son derece yüksek iletkenliğe eşdeğerdir. Ayrıca, konstrüksiyonu basit, ucuz, sessiz ve güvenilir bir cihaz olup farklı şekillerde yapılabilir ve krayojen bölgeden konstruksiyonla sınırlı yüksek sıcaklık seviyelerine kadar çalışabilir. Isı borusu bazı yönlerden ısıl sifona benzemektedir. Kılcal pompalamayı sağlayan fitilin olmadığı, sıvının yoğuşturucudan buharlaştırıcıya yerçekimi tesiri ile döndüğü durumda iki fazlı kapalı termosifon olur. Isıl borusu çalışma karakteristikleri: - Yüksek ısı geçişi Isıl borusunda taşınan ısı miktarı buhar hızı ve buharlaşma gizli ısısı ile tespit edilir. Pek çok akışkanın gizli buharlaşma ısısı yüksek olduğundan, küçük buhar hızlarında dahi ısı geçişi yüksektir. 165 - Isı akısı dönüştürülmesi Isı borusunda buharlaşma ve yoğuşma bölgeleri ayrılmış olduğundan yüzey alanlarının değiştirilmesi ile ısı akısı yoğunluğu değiştirilebilir. Isı borusu farklı ısı akılarında ki ısı kuyusu ve kaynağını birleştirmek için bir dönüştürücü olarak kullanılabilir. Isı yüksek akıda küçük bir alandan ilave edilir ve düşük akıda büyük bir alandan çekilebilir. Isı akısı dönüştürme oranı 10/1 kadar büyük olabilir. - Güç denetimi ve sıcaklık kontrolü Bir ısı borusu ile çıkan ısı akısı, giren ısı akısının 8 kat ve daha fazlası kadar ki değişmelerinde dahi sabit tutulabilir. Ayrıca ısı borusu transfer edilen ısı miktarında değişmeler olsa bile hemen hemen sabit sıcaklıkta kalacak şekilde tasarlanabilir. Buhar basıncı ve netice olarak belirlenen sıcaklıklar arasındaki buhar sıcaklığını ayarlamak için güç denetimli ve sabit sıcaklıklı ısı borularında normal olarak yoğuşmayan ilave bir gaz veya genişleyebilen bir gövde kullanılır. Isı borusu çalışırken, gaz borunun soğuk tarafındaki yoğuşturucu bölgesinin sonunda toplanarak bir soğuk gaz bölgesi oluşturur. Boruya verilen ısı miktarı arttırıldığında, akışkan buhar basıncı artar. Gazın sıkışması ile soğuk gaz bölgesinin uzunluğu azalır ve ısı atılan alan büyür. Buhar basıncı artan veya azalan boru sıcaklığı ile hemen hemen eksponansiyel değişmektedir. Dolayısıyla boru sıcaklığındaki değişmeler güç değişikliğinin geniş bir aralığında oldukça küçüktür. - İzotermal yüzey Isı borusu yüzey sıcaklığı, buhar kanalındaki buhar sıcaklığı ve fitil ve boru cidarı üzerindeki sıcaklık düşmesi ile belirlenir. Yüksek buhar basınçlarında buhar kanalındaki sıcaklık düşmesi ile belirlenir. Yüksek buhar basınçlarında buhar kanalındaki sıcaklık genellikle sabittir. Boru cidarı ve fitil ince olduğunda, boru yüzey sıcaklığı boru boyunca pratik olarak sabit kalır. - Isıl diyot Yer çekimi tesirinde çalışan ısı borularında buharlaştırıcı yoğuşturucu üzerinde ise ısı geçişi tek yönde gerçekleşecektir. Isı borusu elemanları: Bir ısı borusunun yapısında üç temel eleman kullanılan akışkan, fitil ve gövdedir. 166 - Akışkan: Kullanılan akışkan için ilk şart, uygun çalışma sıcaklığında olmasıdır. (Tablo1.). ikinci şart ise, bu akışkanın termofiziksel özelliklerinin değişik çalışma limitlerine uymasıdır. Genel olarak akışkanın buharlaşma gizli ısısı, ısı iletim katsayısı ve yüzey geriliminin yüksek olması ve sıvı ve buhar viskozitelerinin küçük olması istenir. Ayrıca, organik akışkanların ısıl parçalanmasına ve akışkanın fitil ve boru malzemesi ile uyumlu olmasına dikkat edilmelidir. - Fitil: Yüksek kılcal basınç, küçük boşluk Büyük boşluklu pürüzsüz kanal yüzeyi Yüksek iletkenlik Sıvı-buhar ara yüzeyinde küçük boşluk Tel örgü, sünger metal, seramik, açık kanal, arter,… Fitil seçiminde ilk kriter, yoğuşturucudan buharlaştırıcıya akışkanı taşımak için yeterli kılcal pompalamaya sahip olmasıdır. Temel olarak, ısı borusunda kılcal sıvı akışı karmaşık bir problem olup, gözenekli ortamdaki akışı, sıvı-buhar ara yüzeyinde yüzey gerilme tesirlerini, fitil boru cidarı arasındaki sınır tesirlerini, sıvı-buhar fazları basınç girişimlerini ve buharlaşma ve yoğuşma tesirlerini içermektedir. Fitilin maksimum kılcal pompalama basıncı, boşluk büyüklüğü azaldıkça artmaktadır. Fakat, küçük boşluklar akışta büyük sürtünme dirençlerine sebep olmakta, geçirgenliği azalmaktadır. Tablo 2. de deneysel olarak tespit edilmiş tipik fitil değerleri gösterilmektedir. - Gövde : Genellikle dairesel kesitli tüp, levha,… Boru malzemesinin seçimi genellikle şu kritere bağlıdır: boru mukavemet-ağırlık oranı, yüksek ısıl iletkenlik, iyi ıslanma kabiliyeti ve belki hepsinden önemlisi kullanılan akışkan ve dış çevre ile uyumluluk. Uyumlulukta iki önemli konu korozyon ve yoğuşmayan gaz üretimidir. Genel olarak söylemek gerekirse: paslanmaz çelik boru ve fitil, aseton, amonyak ve sıvı metallere uyumludur. Fakat, su ile çok uyumlu olan bakıra göre ısıl iletkenlikleri düşüktür. En genel akışkanlardan; su, bakır ve monel için uygun, paslanmaz çelik, alüminyum, nikel, ve Inconel için değil, amonyak alüminyum, paslanmaz çelik ve nikel için uygun bakır için değil, metanol bakır, ve 167 paslanmaz çelik için uygun, alüminyum için değil, sıvı metaller paslanmaz çelik ve Inconel için uygun titanyum için değildir. Basitleştirilmiş teori: Isı borusunun çalışması akışkanın iki fazdaki sirkülasyonu ile mümkündür. Bu ancak, termodinamik, akışkanlar mekaniği ve ısı geçişi kanunlarının birleştirilmesi ile analiz edilebilir. Sıvı-buhar faz geçişini içeren bir cihaz olarak ısı borusu, kullanılan akışkanın üçlü noktası ile kritik noktası arasındaki sıcaklık bölgesinde çalışabilir. Bu iki uç çalışma sıcaklığı alt ve üst limitlerdir. Genellikle düşük buhar yoğunluğu ve buna karşı gelen yüksek buhar hızları yüzünden alt limitte çalışmak sonik limit, sürükleme limiti veya buhar basıncında aşırı düşme gibi problemleri yaratır. Kritik nokta yakınında çalışmak ise, yüksek buhar basıncı ve boru yapısının mekanik dizaynı yönünden önemlidir. Isı borusunda akışkanın sirkülasyonu sıvı ve buhar akış bölgelerindeki basınç düğmeleri ile ilgilidir. Kararlı rejimde kılcal basınç, sıvı ve buhardaki basınç düğmeleri ve kütle kuvvetleri ile dengelidir. Δpc = 2σ ≥ Δp1 +Δpv +Δpg rc Bu değişim, Şekil 2’ de gösterildiği gibi, mutlak basınç seviyesi ile mukayese edildiğinde genellikle küçüktür. Buharda viskoz kayıplar: dpv U2 1 = 4 f ρv v 2 dx D f = 16/Re f = 0.049/Re0.2 Re<2100 laminer Re>2100 türbülans 168 Buhar basınç düşmesinin hesabı, viskoz tesirler yanında atalet tesirlerinin de göz önüne alınmasını gerektirdiğinden genellikle çok daha karmaşıktır. Atalet tesirleri, sıvı metal ısı borularında olduğu gibi, yoğuşturucuda önemli ölçüde basınç yükselmesine sebep olur. İlave olarak, sıvı-buhar ara yüzeyinde faz dengesi kadar, yoğuşma ve buharlaşma buhar basınç düşmesine önemli etkide bulunur. Sıvıda viskoz kayıplar: Isı borusu fitilinde sıvı akışı genellikle küçük Reynolds sayıları ile karakterize edildiğinden sıvıdaki basınç kaybı Darcy kanunu ile ifade edilir. dp1 μ1 μ m1 = U1 = 1 dx K v K v A1 ρ1 burada, v1 sıvı viskozitesi, U1 ortalama sıvı hızı, Kv geçirgenlik, m kütle akış miktarı, A1 fitil kesit alanı ve ρ1 sıvı yoğunluğudur. Bu ilişki, K nın tanımı olarak dikkate alınmakta olup, genellikle amprik olarak tespit edilir. İnce fitillerde, boru cidarı kadar serbest ara yüzey K yı önemli ölçüde etkilemektedir. Yer çekimi tesiri: Δp g = ± ρgL cos φ + 0 : buharlaştırıcı yoğuşturucu üzerinde :yoğuşturucu buharlaştırıcı üzerinde : yatay veya yerçekimsiz ortam Enerji dengesi : Q = mhfg = ρ1 A1U1hfg = −ρv AvUvhfg 169 basınç kayıpları ve enerji dengesinden, ⎛ 32 μv 1 μ1 ⎞ 2σ ⎟L= −ρgLcosφ Q⎜ 2 + ⎜D A ρ h KAρ h ⎟ r v fg 1 1 fg v ⎠ c ⎝ elde edilir. Burada σρ 1 h fg σρ v h fg ve μv μ1 sıvı taşıma faktörü (N1) ve buhar taşıma faktörü (Nv) nü göstermektedir. Tablo 1. Isı borusunda kullanılan akışkanlar Akışkan Helyum Azot Amonyak Freon-113 Metanol Su Termeks Cıva Sezyum Potasyum Sodyum Lityum To K 4 77 240 321 337 373 530 634 943 1047 1165 1613 Tç K 2-4 70-113 213-373 263-373 303-403 303-473 423-668 523-923 673-1173 773-1273 873-1473 1273-2073 hfg 103 J/kg 21 199 1370 146 1100 2258 297 298 491 1935 3920 19700 ρv Kg/m3 10.0 4.6 0.9 8.2 1.1 0.6 5.4 5.3 17 0.51 0.28 0.06 170 ρ1 Kg/m3 128 810 683 1508 751 958 850 12740 1681 672 747 420 k1 W/ (m K) 2.77 0.14 0.55 0.094 0.201 0.680 0.112 12.2 17.5 35.8 53.8 69 μ1 10-4 Pa s 0.03 1.6 2.8 5.1 3.4 2.8 2.6 8.8 1.7 1.1 1.7 2.3 σ 10-3 N/m 0.09 8.9 33 16 19 59 15 380 42 50 110 270 Tablo 2. Fitil Özellikleri Fitil tipi Elek, paslanmaz çelik, 200 mesh Elek, Ni 200 mesh, sinterlenmiş Elek, Ni 50 mesh, sinterlenmiş Örgü, paslanmaz çelik, sinterlenmiş Örgü, paslanmaz çelik, sinterlenmiş Örgü, nikel, sinterlenmiş Örgü, bakır Sünger, bakır, APC, 220-5 Sünger, nikel, APC, 220-5 Toz, nikel, sinterlenmiş Tanecik, Monel, 30-40 mesh Tanecik, Monel, 70-80 mesh Tanecik, Monel, 140-200 mesh ε 0.733 0.676 0.625 0.822 0.808 0.868 0.895 0.912 0.960 0.658 0.40 0.40 0.40 rp, 10-6m 58 64 305 110 65 <37 229 241 229 61 252 97 45 FIRIN GÖVDESİNDEN ISI GERİ KAZANIMI Fırının iç yüzeyinden dış yüzeyine iletilen ısı miktarı : q = K (Ti – T1) Fırın dış yüzeyinden yutucuya gönderilen ısı miktarı : q = σε12 (T14 – T24) Fırın dış yüzeyinden atmosfere taşınımla geçen ısı miktarı : q= h (T1 – Ta) Enerji dengesi : K (Ti –T1) = σε12 (T14 – T24) + h (T1 – Ta) Ti, fırın iç yüzey sıcaklığı = 1125 K = 852oC kabul. 171 K, 10-10 m2 0.52 0.77 6.63 11.61 1.96 0.40 12.4 23.2 37.2 2.73 4.12 0.78 0.11 T1, fırın dış yüzey sıcaklığı T2, yutucu yüzey sıcaklığı Ta, atmosfer sıcaklığı ≈ 20oC = 293 K K, fırın gövdesinde toplam ısı geçiş katsayısı = 5 ÷15W/m2K σ, Stefan-Boltman sabiti = 0 5.67 10-8 W/mK4 ε1, fırın yüzeyi yayma katsayısı = 0.6 ÷ 1 ε2, yutucu yüzey yayma katsayısı = 0.6 ÷ 1 ε12, toplam yayma katsayısı = 0.2 ÷ 1 1 ε12 = 1 ε1 + ⎞ F1 ⎛ 1 ⎜⎜ − 1⎟⎟ F2 ⎝ ε 1 ⎠ F1, fırın dış yüzey alanı = πD1L, D1 ≈ 4.5m F2, yutucu yüzey alanı = π D2L, D2 ≈ 5m F1 / F2 = 0.8 ÷ 0.88, σε12 = (1.5 ÷ 5.67) 10-8 i. Fırın dış tarafında yutucu yoksa, T2 = Ta olacaktır. Enerji denklemindeki parametrelerin mertebeleri, K ~ h ~ σ ε12 108, Ta = 27oC, T1 = 850oC ise T1 = 482 K = 209oC olacaktır. 5.67 (852 – 209) = 5.67 10-8 [(209 + 273)4 – (27 + 273)4] + 5.67 (209 – 27) 3646 W/m2 = 2614 W/m2 + 1032 W/m2 ii. Yutucu varsa, T2 ≠ Ta Taşınımla ısı kaybı ihmal edilirse K / σε12 = (5÷15) / (1.5 ÷ 5.67) 10-8 = (0.8 ÷ 10) 108 Sonuç : Bu mertebeler için fırın yüzeyindeki çekilecek ısı akısı ~ 4000 W/m2 172 4m çap ve 5m uzunluktaki modüler sistemin alanı π DL = 3.14 x 4 x 5 = 63m2 Q = 63 x 4000 = 252 kW Güç üretimi tartışılabilir. Sıcak su üretimi mümkün. 173 174 5.BİRLEŞİK ISI-GÜÇ ÜRETİMİ Isı ve elektrik toplumsal yaşamda ve endüstride gerek duyulan iki enerji türüdür. Isı gereksinimi genellikle yerel olarak kurulan bir ısıtma merkezinden karşılanırken, elektrik genellikle bir dağıtım şebekesinden sağlanır. Bileşik ısı güç üretimi, bu iki enerji türünün aynı sistemde birarada sağlanması anlamına gelir. Bu amaçla herhangi bir ısı makinesi kullanılabilir. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, bir ısı makinesi veya güç santralı tükettiği yakıt enerjisinin ancak belirli bir bölümünü işe veya elektriğe dönüştürebilir. Geri kalan enerji çevreye ısıl enerji olarak verilir, (Şekil 1). Bileşik ısı güç üretiminde çevreye atılan bu enerjiden yararlanılır. Atık ısının yararlı bir amaca yönelik olarak kullanılması, • Doğrudan ısıtma (örneğin kurutma), • Buhar veya sıcak su üreterek uzaktaki bir prosese ısı sağlamak veya güç üretmek, • Buharın yoğuşması sırasında açığa çıkan ısıdan yararlanmak, şeklinde gerçekleşebilir. QH (yakıt enerjisi) Isı Makinesi W (iş) QL (proses ısısı) Şekil 1 . Bir ısı makinesinin enerji bilançosu. Bileşik ısı güç üretimi amacıyla kullanılan ısı makineleri arasında buhar türbinleri, gaz türbinleri, Diesel motorları yer almaktadır. Bu makinelerde yoğuşturucu, egzos veya soğutma suyu aracılığıyla çevreye atılan ısı, prosese ısıl enerji sağlamak amacıyla kullanılabilir. Prosese sağlanan ısıl enerji genellikle 60 ile 150 oC sıcaklıkları ( 20 476 kPa ) arasında doymuş buhar veya sıcak su olarak sağlanır. Bileşik ısı güç üretimi kojenerasyon diye de bilinir. Elektriğin bir ısı makinesinde (buhar , gaz türbini veya Diesel motoru), ısıl enerjinin de bir kazanda ayrı ayrı üretilmeleri durumunda sarfedilmesi gereken yakıt enerjisi 175 aynı miktarda ısıl enerji ve elektriğin bileşik ısı güç üretimi ile elde edilmesinde tüketilen yakıt enerjisine oranla daha fazladır. Böylece bileşik ısı güç üretiminden sağlanan başlıca yarar enerjinin etkin kullanımı ve enerji maliyetinin düşürülmesidir. Ayrıca elektriğin kuruluş içinde üretilmesiyle süreklilik sağlanır, elektrik kalitesinde voltaj ve frekans bakımından dalgalanmalar önlenir ve elektrik dağıtım kayıpları azalır. Sağlanan bu yararlara karşılık, bileşik ısı güç üretimi bir yatırım gerektirir. Kazançlı olabilmesi için sağlanan yararların parasal açıdan yapılan yatırımı karşılaması gerekir. Bileşik ısı güç üretimi başta tekstil, kimya, gıda, kağıt endüstrileri olmak üzere birçok sanayi dalında ucuz ve kesintisiz enerji sağlamaktadır. Bileşik ısı güç üretimi birçok ülkede bölge ve kent ısıtması amacıyla da uygulanmaktadır. Bileşik ısı güç üretiminin yaygınlaşmasının, ulusal düzeyde enerji açığının kapanmasına katkısı da olacaktır. Bileşik ısı-güç çevrimleri, öncül (topping) , ardıl (ardıl) ve kombine (combined) olmak üzere üçe ayrılır. Öncül çevrimde güç üretildikten sonra atık ısıdan proses ısısı olarak yararlanılır. Ardıl çevrimde proses ısısından yüksek sıcaklıkta yararlanıldıktan sonra güç üretilir. Kombine çevrimde ise bir gaz türbininde güç üretildikten sonra, türbinden çıkan sıcak gazlar buhar üretimi için kullanılır ve elde edilen buhar bir buhar türbininde ek bir güç üretir. Tanımlar Bileşik ısı güç üretimi ile ilgili tanımlar Şekil 1’ de gösterilen ısı makinesi üzerinde açıklanabilir. Bir ısı makinesinde üretilen işin ( W ), sağlanan ısıl enerjiye veya yakıt enerjisine ( QH ) oranı, ısıl verim (thermal efficiency), η ’ dır: η= W QH (1) Çevreye aktarılan ısıl enerji QL , kullanımı amaçlanan ısıdır. Enerjiden yararlanma oranı (utilization factor, total efficiency), EYO , yararlanılan toplam enerjinin, sağlanan enerjiye oranıdır: EYO = W + QL QH (2) Termodinamiğin birinci yasasına göre enerjiden yararlanma oranı 1’ dir. Fakat uygulamada atık ısının tümünden yararlanılamadığı için bu değer 0.7 ile 0.9 arasında olur. Bir bileşik ısı güç santralında üretilen işin (elektriğin), kullanılan ısıya oranı, elektrik ısı oranı (power to heat ratio), EIO diye tanımlanır. Bu değer, termodinamiğin 1. yasasını kullanarak, ısıl verimle gösterilebilir: 176 EIO = η W = QL 1 − η (3) Güç santralları ile ilgili kullanılan bir başka tanım ısı oranı (heat rate) olup, aşağıdaki gibi tanımlanmıştır. Bu büyüklük birim elektrik enerjisi üretimi için harcanan yakıt enerjisini gösterir ve birimi kJ/kWh ’ dir. IO = QH W (4) Bir kuruluşta bileşik ısı güç üretiminin başarı ile uygulanması, üretilen ısı ve elektriğin, kuruluşun ısı ve elektrik gereksinimleri ile uyumlu olmasına bağlıdır. Bu nedenle santral seçimi yapılırken, kuruluşun ısı ve elektrik gerekleri ve bunların birbirlerine oranı gözönüne alınmalıdır. Seçimde genellikle santralın ısı üretiminin, kuruluşun ısı (buhar) istemi ile çakışması sağlanır. Bunun nedeni elektrik alım satımının ısıya oranla daha kolay olmasıdır. Endüstri kuruluşlarında ısı ve elektrik istemlerinin (yük profillerinin) zamanla değişimi de söz konusudur. Değişimin niteliği termodinamik ve ekonomik çözümlemeyi etkiler. Bu gibi durumlarda daha gerçekçi bir çözümleme bilgisayar programları ile yapılabilir. Bileşik ısı güç üretiminin ekonomik çözümlemesinde etkili olan diğer parametreler, kuruluşun yıllık çalışma süresi, santral için yatırım giderleri, yakıt, elektrik ve ısıl enerjinin fiyatlarıdır. Bileşik Isı-Güç Üretimi İçin Kullanılan Sistemler Bileşik ısı-güç üretimi için kullanılan ısı makinaları buhar türbinleri, gaz türbinleri ve pistonlu motorlardır. Aşağıda bu makinaları kullanan santralların özellikleri kısaca açıklanmıştır. Buhar türbinli santrallar kuruluşun ısı isteminin, elektrik isteminden fazla olduğu durumlarda tercih edilmelidir. Şekil 2’ de karşı basınçlı türbin uygulaması, Şekil 3’ te ise ara buhar almalı türbin uygulaması gösterilmiştir. Şekillerde görüldüğü gibi bir kazanda üretilen buhar, türbinde genişleyerek iş (elektrik) üretir. Türbin çıkış basıncı proses için gerekli sıcaklığa karşı gelen doyma basıncıdır. Bu basınçta yoğuşan su buharı proses ısısını sağlar. Karşı basınçlı türbin, ısı ve elektrik istemlerinin zamanla ve birbirlerine oranla değişmediği durumlarda, ara buhar almalı türbin ise ısı gereksiniminin elektriğe göre değişken olduğu durumlarda seçilir. Belirli bir santral için üretilen elektrik ve ısı ile tüketilen enerji miktarları, çevrimin termodinamiğin birinci yasasına göre çözümlemesini yaparak elde edilebilir. Bu çözümleme ile ilgili ayrıntılar termodinamik kitaplarında vardır. 177 Bugün piyasada 75 kW ile 7500 kW elektrik gücü, 3000 ile 10000 devir/dakika arasında dönme hızlarına sahip buhar türbinleri bulunmaktadır. Buhar türbinli santrallarda elektrik-ısı oranı genellikle 0.2 ile 0.7, ısıl verim ise %20 ile %30 arasındadır. Bu durumda ısı oranları da 18000 kJ/kWh ile 10000 kJ/kWh arasında olmaktadır. Türbin W Kazan Yoğuşturucu Pompa Şekil 2. Karşı basınçlı buhar türbini kullanan bir bileşik ısı güç santralı. 178 Türbin W Kazan Yoğuşturucu Pompa Pompa Şekil 3. Ara buhar almalı türbin kullanan bir bileşik ısı-güç santralı. Gaz türbinli bir bileşik ısı-güç santralı Şekil 4’ te gösterilmiştir. Görüldüğü gibi gaz türbininden çıkan sıcak gazlar bir atık ısı kazanında sıcak su veya buhar üreterek proses ısısını sağlamaktadır. Gaz türbinlerinin boyutları küçük, güç/ağırlık oranları yüksektir. Çabuk devreye girer ve bakımları kolaydır. Gaz türbinlerinde doğal gazın yanı sıra, LPG, nafta ve sıvı yakıtlar da yakılabilmektedir. Sıvı yakıtlar yakıldığında, yakıtın sodyum ve vanadyum tuzlarından arındırılması gerekir. Piyasada kullanılan gaz türbinlerinin elektrik üretim güçleri genellikle 5 ila 30 MW arasında değişmektedir. Gaz türbinlerinde egzos gaz sıcaklıkları 430 oC ile 530 oC arasında olup, buhar üretimi için elverişlidir. Örneğin 5200 kW elektrik üreten tipik bir gaz türbini için, ısıl verim %27, elektrik-ısı oranı 0.6, buhar üretimi de saatte 15 tondur. Diesel (gaz) motorlu bir bileşik ısı-güç santralı Şekil 5’ te gösterilmiştir. Proses ısısı için motorun egzos gazlarından ve soğutma suyundan yararlanılabilir. Gaz motorlu sistemlerin kapasiteleri genelde 1 ile 10 MW elektrik gücü arasındadır. Isıl verimlerinin yüksek olmaları, değişik yakıtlarla çalışabilmeleri Diesel veya gaz motorlarının kullanımını yaygınlaştırmıştır. Örneğin, elektrik üretim gücü 4650 kW olan tipik bir Diesel motoru uygulamasında ısıl verim %42.2, elektrik-ısı oranı 1.2, saatte üretilen buhar miktarı 8 tondur. Değişik bileşik ısı-güç sistemlerinin temel özellikleri Çizelge 1’ de özetlenmiştir. 179 Buhar Yanma Odası Atık Isı Kazanı Türbin Kompresör Şekil 4. Gaz türbini kullanan bir bileşik ısı-güç santralı. Atık Isı Kazanı DIESEL Makinası Sıcak Su Merkezi Şekil 5. Diesel motoru kullanan bir bileşik ısı-güç santralı. 180 η Buhar türbini Karşı basınçlı Ara buhar almalı Gaz türbini Diesel motoru Kombine çevrim EIO 0.15 0.18 0.15 - 0.30 0.18 - 0.40 0.30 0.60 0.45 1.0 0.40 1.0 Gücü (MW) 1-20 10-50 2 -50 0.5 -10 10 -100 Sabit yatırım gideri ( pb / kW ) 800 1200 700 600 1200 Çizelge 1. Değişik bileşik ısı güç sistemlerinin özellikleri. ( pb = para birimi ≅ 1 $ ). Gaz türbininin göreceli olarak ucuz olması, çabuk devreye girmesi ve ek yakma (auxiliary firing) ile ısı üretiminin artırılabilmesi, bu santralların giderek yaygınlaşmasına neden olmuştur. Diesel motoru, küçük çaplı uygulamalar, birleşik gaz buhar türbini (kombine çevrim) ise büyük çaplı uygulamalar için düşünülmelidir. Ekonomik Çözümleme Bileşik ısı güç üretimi uygulamasının ekonomik olup olmayacağı yıllık kazançlarla yıllık giderleri karşılaştırarak bulunabilir. Bu düşünce aşağıdaki bağıntı ile ifade edilmiştir: GE + GB − GY − GS > 0 (5) Burada GE , elektrik geliri, GB , ısı kazancı , GY , yakıt gideri, GS , kredi ile sağlanacağı düşünülen sabit yatırım gideri olmaktadır. Tüm değerler para birimi/yıl (pb/yıl) olarak verilmiştir, (Çizelge 2). Santralın gücü (birim zamanda üretilen elektrik) P ile, yük faktörü (çalıştığı süre/yıllık süre) φ ile, elektrik, yakıt, ısı ve sabit yatırım fiyatları sırasıyla fe , fy , fı , fs ile gösterilirse, yukarıda açıklanan gelir ve giderler aşağıdaki bağıntılarla yazılabilir: GE = 8760 f e φ P ⎛ 1− η ⎞ GI = 8760 f ý φ ⎜ ⎟P ⎝ η ⎠ 181 (pb/yıl) (6) (pb/yıl) (7) GY = 8760 f y φ GS = f s a P P η (pb/yıl) (8) (pb/yıl) (9) Yukarıdaki bağıntılarda elektrik, ısı ve yakıt fiyatları pb/kWh , sabit yatırım fiyatı ise pb/kW birimlerinde alınmıştır. a, amortizman çarpanı olup, a= i ( 1+ i ) n (1 + i ) n −1 (9) bağıntısı ile tanımlanmıştır. Burada i yıllık faiz oranı, n ise santral ömrüdür. elde edilir. Bileşik ısı güç üretiminin ekonomik olabilmesi için (5) numaralı bağıntının sağlanması gerekir. Yukarıdaki çözümlemede, üretilen tüm ısı ve elektriğin kuruluş içinde tüketildiği varsayımı yapılmıştır. Bunun böyle olmaması durumunda (6) - (9) numaralı denklemlerle verilen gelir ve giderlerde gerekli düzenlemeler kolaylıkla yapılabilir. Yukarıdaki çözümlemeden anlaşılacağı gibi elektrik ve ısı fiyatlarının yüksek, yakıt fiyatının düşük olması, bileşik ısı güç üretimini cazip kılar. Yük çarpanının yüksek olması, başka bir deyişle santralın çalışma süresinin uzun olması kazancı artırıcı bir etkendir. Amortizman çarpanı, kredi faizi ile doğrudan ilgilidir. Faizin düşük olması yatırımı olumlu yönde etkiler. Örnek : Bir sanayi kuruluşunda ısıl işlemler için 10 ton/h buhara ve 3 MW elektrik gücüne gerek duyulmaktadır. Kuruluş günde 24 saat, haftada 6 gün, yılda 50 hafta çalışmaktadır. Kuruluşta 3 MW kapasiteli bir gaz türbini ve atık ısı kazanından oluşan bir bileşik ısı-güç santralının kurulması düşünülmektedir. Santralın elektrik-ısı oranı 0.6, ısıl verimi %27’ dir. Yakıt olarak fiyatı 0.17 pb/m3 , ısıl değeri 35500 kJ/ m3 olan doğal gaz kullanılacaktır. Elektrik ve buhar fiyatları sırasıyla 0.07 pb/kWh ve 0.02 pb/kg ’ dır. 1 kg buhardan 2100 kJ ısıl enerji elde edilebilmektedir. Faiz oranı %12, kredi geri ödeme süresi 7 yıldır. Santral sabit yatırımı 800 pb/kW alınabilir. Aşağıda bu kuruluş için bileşik ısı güç üretiminin olurluluğu araştırılmıştır. Çözümlemede tüm gelir ve giderler yıllık olarak hesaplanmıştır. 1 para birimi (pb) yaklaşık olarak 1 USD alınabilir. Buharın pb/kWh olarak fiyatı = (3600 kJ/kWh) / ( 2100 kJ/kg )( 0.02 pb/kg ) = 0.0343 pb/kWh 182 Yakıtın pb/kWh olarak fiyatı = (3600 kJ/kWh)/( 35 500 kJ/m3 )( 0.17 pb/m3 ) = 0.01724 pb/kWh Amortizman faktörü : a = 0.12 (1 + 0.12 ) 7 = 0.219 ( 1 + 0.12 ) 7 − 1 olmaktadır. Kuruluşun yıllık çalışma süresi, 6 × 24 × 50 = 7200 saat ve yük çarpanı, φ = 7200 /8760 = 0.822 ’ dir. Elektrik geliri : ( 8760 × 0.822 saat )( 3000 kW )( 0.07 pb/kWh ) = 1 512 000 pb Buhar geliri : ( 8760 × 0.822 saat )( 3000 kW )( 1 / 0.6 )( 0.0343 pb/kWh ) = 1 235 000 pb Yakıt gideri : ( 8760 × 0.822 saat )( 3000 kW )( 1 / 0.27 )( 0.01724 pb/kWh ) = 1 379 000 pb Sabit yatırım gideri : ( 3000 kW )( 800 pb/kW )( 0.219 ) = 526 000 pb olarak hesaplanır. Bu durumda yıılık net gelir, 1 512 000 + 1 234 000 – 1 379 000 – 526 000 = 840 000 pb olmaktadır. Bu durumda yatırıma ekonomik açıdan olumlu bakılabilir. Yatırım İçin Değerlendirilmesi Gereken Diğer Faktörler : Bir bileşik ısı-güç santralı için yatırıma karar verirken ekonomik olurluluk dışında gözönüne alınması gereken faktörler de vardır. Bu faktörlerin başında yakıt temini ve sürekliliğinin sağlanması gelir. Bugün bileşik ısı-güç santrallarında en çok kullanılan yakıt doğalgazdır. Doğalgazın fiyatı 0.15 ile 0.2 pb / m3 arasında değişmektedir. Doğalgazın yanısıra LPG (250 pb/ton) , Nafta (200 pb/ton) ve Diesel yakıtı da (500 pb/ton) gaz türbinli ve Diesel motorlu santrallarda kulanılmaktadır. 5 MW elektrik üreten bir santral günde yaklaşık 30-35 ton yakıt kullanır. Yakıt kıyı kesimlerinden işletmeye tankerlerle taşınır. Bu bakımdan doğal gaz dışındaki yakıtlar için 4-5 gün kesintisiz işletmeyi sağlayacak ölçüde yakıtın depolanması gerekir. BOTAŞ veya yakıtı sağlayan kuruluşla yapılan sözleşme de önem taşır. Bu tür sözleşmelerde genellikle belli miktarda yakıtın kullanılacağına dair güvence verilir. 183 Bileşik ısı-güç santralının kurulması için yasal çerçeve 3096 sayılı yasa ile çizilmiştir. Santralın planlanması ve kurulması aşamasında, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığının izni gereklidir. Ayrıca Çevre Bakanlığının çevreye atılan zararlı maddeler bakımından sınırlayıcı kuralları vardır. İzin aşamasında çevre değerlendirme raporunun hazırlanması gerekir. Elektrik alım satımı için TEAŞ ile anlaşma yapılmak durumundadır. Bileşik ısı-güç santralında üretilen fazla elektrik, normal fiyatın yaklaşık %70’ i bir değerle TEAŞ’ a satılabilir. Üretilen fazla elektriği, hat kirasını ödeyerek, yakınlardaki başka sanayi kuruluşlarına iletmek de (wheeling) mümkündür. Santral işletmeye açılmadan önce elektrik alış verişini sağlayacak donanım kurulmalı, TEAŞ ile alım satımı kapsayan bir anlaşma imzalanmalıdır. Ek : 1 kWh = 3600 kJ 1 kCal = 4.186 kJ 1 kCal/h = 0.001163 kW 1 Btu = 0.252 kCal 1 pb = 1 USD Çizelge 2. Birimler arasında çevirme çarpanları. 184 6.EKONOMİK ANALİZ YÖNTEMLERİ 19.1 GİRİŞ Bu bölümde enerji üretimi veya tasarrufu amacıyla yapılacak yatırımlar için ekonomik analiz yöntemleri gözden geçirilmiş, bu çözümlemelerde göz önüne alınması gereken etkenler incelenmiş ve örnekler sunulmuştur. Enerji Yönetim Biriminin hazırlayacağı proje teklif raporunda ekonomik analiz kuşkusuz önemli bir yer tutacaktır. Ancak projenin ekonomik analizi yapılmadan önce aşağıdaki sorulara raporda açıklık getirilmiş olması gerekir : • • • • • Projenin amacı nedir ? Projeden sağlanması düşünülen fayda iyi tanımlanmış mıdır ? Proje ile ilgili sayısal değerlendirmeler ve bilgiler gerçekçi midir ? Projeden sağlanması düşünülen fayda kime yöneliktir ? Proje şirketin varolan enerji politikaları ve diğer iş planlarıyla uygunluk içindemidir ? • Enerji taraması sırasında belirlenen, yatırım gerektirmeyen, düşük maliyetli veya basit işletme tedbirlerinin çoğu başarı ile yürütülmekte midir ? • Projenin maliyet ve kazanç etkenleri ayrıntılı bir biçimde tanımlanmış mıdır ? Bu değerlendirmeler yapıldıktan sonra projenin ekonomik çözümlemesine geçilebilir. Ekonomik çözümleme, maliyet ve kazançların, projenin ömrü süresince değerlendirilmesini içerir. Maliyet ve kazançlar belirlendikten sonra, paranın zaman değeri de göz önüne alınarak, belirli bir kıstasa göre karşılaştırılır. Böylece projenin kazançlı olup olmadığına (fizibilitesine veya olurluluğuna) karar verilir. 19.2 GENEL KAVRAMLAR 19.2.1. Maliyetler Bir projenin toplam maliyeti, sermaye ve işletme maliyeti olarak ikiye ayrılabilir. Sermaye maliyeti, proje başlangıcında yapılan, bir defaya mahsus gider olarak düşünülebilir. İşletme maliyeti ise projenin fiziksel veya ekonomik ömrü boyunca gerçekleşen giderlerden oluşur. 185 Sermaye maliyeti aşağıdaki kalemleri içerir : • Tasarım ve diğer mühendislik artı yapım maliyetleri, • Kurma masrafları da içinde olmak üzere ekipman maliyetleri, • Dağıtım (boru, elektrik) hatları, ölçme cihazları ve kontrol sistemlerinin maliyetleri, • Arsa, inşaat maliyetleri, • Sistemin gelir getirme aşamasına kadar olan çalıştırma (deneme) maliyeti, • Taşıma, vergi ve benzer maliyetler. İşletme Maliyeti ise sabit ve değişken maliyetler olarak iki kümede ele alınabilir ve aşağıdaki kalemlerden oluşur : Sabit Maliyetler • Bakım ve sigorta giderleri, • İşçilik, • Lisans giderleri, • Vergiler, • Kira giderleri. Değişken maliyetler • Hammadde ve yakıt giderleri, • Elektrik, su, • Taşıma ve paketleme giderleri. 19.2.2 Maliyet Tahminleri Maliyet tahminlerindeki hassaslık, başlangıç aşamasında, başka bir deyişle ön fizibilite çalışmaları sırasında ± %20 ile %30 arasında, son teklif aşamasında ise ± %5 ile %10 arasında olmalıdır, [1]. Türkiye’de maliyet tahminleri her yılın başında yayınlanan Bayındırlık Bakanlığı Birim Fiyatları esas alınarak yapılabilir. Ancak ülkemizde enflasyon oranının yüksek olması bu değerlerin dikkatle kullanılmasını gerektirmektedir. Ekipman veya sistem fiyatlarını belirlemek için yurt dışında değişik indeksler kullanılmaktadır. Bu indeksler ekipman veya sistem fiyatları üzerinde enflasyonun etkisini belirtir. En yaygın olarak kullanılan indeksler Marshall and Swift Equipment Cost Index ( M&S ), Chemical Engineering Plant Cost Index ( CE ) ve Engineering News Record Construction Cost Index ( ENR ) indeksleridir. Bu 186 indeksler her ay değişik meslek dergilerinde ( örneğin Mechanical Engineering , Chemical Engineering ) yayınlanmaktadır. Aşağıdaki bağıntı bu indekslerin nasıl kullanıldığını açıklamaktadır : Verilen yıl için fiyat = belirli bir yıl için fiyat verilen yıl için indeks fiyatın belirlendiği yılın indeksi Ekipman veya sistem büyüklüğünün maliyet üzerindeki etkisi aşağıdaki bağıntıyla göz önüne alınabilir : ⎛S⎞ C = Cr ⎜ ⎟ ⎝ Sr ⎠ m Burada : C : S büyüklüğündeki ekipmanın fiyatı, Sr : referans büyüklüğü, Cr : referans büyüklüğündeki ekipmanın fiyatı, olmaktadır. Değişik ekipmanlar için Cr , Sr ve m değerlerine ilişkin tablolar, çeşitli kaynaklarda vardır, [3] . 19.2.3 Paranın Zaman Değeri Bankaya bugün yatırılan bir miktar paranın bir yıl sonra daha büyük bir değere ulaşacağı herkes tarafından bilinen bir gerçektir. Bir yatırım projesinin gelir ve giderleri bir süreç içinde değişik zamanlarda gerçekleşeceği için, bu gelir ve giderlerin karşılaştırılabilmesi belirli bir miktar paranın değişik zamanlarda sahip olacağı değerin bilinmesini gerektirir. 19.2.4 Paranın Gelecekteki Değeri 187 Eğer P miktarda para, yılda yüzde i faiz getiren bir hesaba yatırılır ve hesaba bileşik faiz uygulanırsa, n yıl sonunda anapara aşağıdaki bağıntıyla verilen F değerine ulaşacaktır : F=P(1+i)n Faiz ödünç alınan paranın karşılığında yapılan ödemedir. Mühendislik hesaplarında faiz yıllık olarak verilir ve faizin uygulandığı dönem 1 yıl olarak alınır. Ancak bileşik faizin uygulandığı dönem 1 yıldan farklı da olabilir. Örneğin eğer dönem üç ay ise, o zaman n yıl sonunda paranın değeri : ⎛ F = P ⎜1 + ⎝ i⎞ ⎟ 4⎠ 4n olacaktır. Örnek : 100 milyon liranın yıllık %20 faiz oranına göre, 2 yıl sonunda ulaşacağı değer nedir ? Çözüm : F = 100 000 000 ( 1 + 0.2 ) 2 = 144 000 000 TL’ dir. Örnek : Bileşik faiz üç ayda bir uygulanırsa, 100 milyon liranın yıllık %20 faiz oranına göre, 2 yıl sonunda ulaşacağı değer nedir ? Çözüm : ⎛ 0.2 ⎞ ⎟ F = 100 000 000 ⎜1 + ⎝ 4 ⎠ 8 = 147 745 554 TL’ dir. 19.2.5 Paranın Bugünkü Değerinin Hesaplanması n yıl sonra var olacak F miktarındaki paranın bugünkü değeri, yukarıda verilen bağıntıdan yararlanarak hesaplanabilir : 188 P=F 1 ( 1 + i )n Burada, P paranın bugünkü değeri, i yıllık faiz oranı olmaktadır. Yukarıdaki bağıntıda yer alan 1 / ( 1 + i ) n çarpanı, iskonto faktörü olarak bilinir. Örnek : 15 yıl sonra var olan 400 milyon liranın, %16 faiz oranına göre bugünkü değeri nedir ? Çözüm : P = 400 000 000 / ( 1 + 0.16 ) 15 = 43 170 806 TL’ dir. 19.2.6 Borcun Eşit Taksitlerle Ödenmesi Yıl sonlarında eşit taksitlerle ödenen borcun bugünkü değeri, aşağıda verilen bağıntıyla hesaplanabilir : ( 1 + i )n − 1 P= A i ( 1 + i )n Burada, A : Her yıl sonunda ödenen eşit taksit miktarı, i : Faiz oranı, n : Yıl sayısı, olmaktadır. Benzer biçimde, bugün alınan P miktarında borcun, n yılda eşit taksitlerle ödenmesi durumunda, taksit miktarı A, aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabilir : 189 i ( 1 + i )n A= P ( 1 + i )n − 1 Örnek : %10 faizle alınan 100 milyon liralık borç her yıl sonunda ödenecek 5 eşit taksitle kapatılacaktır. Ödenmesi gereken taksit miktarını hesaplayınız . Çözüm : . (1 + 01 . )5 01 A = 100 000 000 (1 + 01 . )5 − 1 = 26 379 748 TL 19.3 ENFLASYON Genel fiyat enflasyonu, EPRI ( Electric Power Research Institute ) tarafından şöyle tanımlanmıştır. Sunulan mal ve hizmetlerde aynı oranda bir değişim olmadan dolaşımdaki para ve kredide gerçekleşen artışın yol açtığı fiyat yükselmesine enflasyon denir. Enflasyon ( inflation ) maliyetlerin her yıl yükselmesine yol açar. Ortalama yıllık enflasyon ri ile gösterilsin. Fiyatlardaki değişimleri sadece yukarıda tanımlanan enflasyon etkilemez. Gerçek fiyat artış oranı rr ( real escalation rate ) ile gösterilsin. Gerçek fiyat artış oranı, kaynakların tükenmesine, talepteki artışa ve teknolojik gelişmelere bağlıdır. Nominal veya görünür fiyat artış oranı ( nominal or real escalation rate ), rn (1 + r ) = (1 + r ) ⋅ (1 + r ) n r i şeklinde tanımlanmıştır. Gerçek fiyat artış oranını belirlemek kolay değildir. Bu nedenle genellikle rr = 0 alınır. Fiyat artışları nedeniyle, giderler bir yıldan diğerine değişecektir. Böylece değişen bir dizi değer, yıllık eşit ödemelere dönüştürülebilir. P0 , giderin birinci yılın başlangıcındaki değerini, A ise eşdeğer eşit yıllık ödemeyi veya taksiti göstersin. Aşağıdaki bağıntı yazılabilir : 190 A = P0 k ( 1− kn ( 1− k ) ) CRF , k= 1 + rn 1+ i Örnek : Başlangıç değeri ( t = 0 ) 1000 ve nominal artış oranı yıllık % 4 olan bir gider beş yıl süre ile her dönem sonunda yapılmaktadır. Yıllık faiz oranı %10’ dur. Gideri, beş yıl süre ile dönem sonlarında yapılan eşit ödemelere dönüştürünüz. . ⋅ ( 1 + 01 .) 01 1 + 0.04 = 0.2638 k= = 0.9455 CRF = 5 1 + 010 . (1 + 01. ) − 1 5 0.9455 ( 1 − 0.94555 ) A = 1000 ⋅ ⋅ 0.2683 1 − 0.9455 = 1118.2 Bu problemin bir çizelge hazırlayıp, temel bağıntıları kullanarak çözülebileceği not edilmelidir. 19.4 AMORTİZMAN Amortizman, yapıların, cihazların, sistemlerin yararlı ömürleri süresince, fiziksel yıpranma ve teknolojik değişim sonunda değerlerinin azalması demektir. Vergi yükümlülüğü açısından, amortizman vergi hesaplamasında matrahtan düşürülebilir bir değerdir. Yasa ve yönetmeliklerle belirlenen bu miktara amortizman indirimi ( depreciation allowance ) adı verilir. Amortizman hesaplarında kullanılan tahmini yararlı ömür (estimated useful life) yasa ve yönetmeliklerle belirlenmiş olup, gerçek yararlı ömür veya ekonomik ömürden daha kısa olabilir. Tahmini yararlı ömür, amortize edilebilir ömür ( depreciable life ) olarak da adlandırılır. Amortizman hesaplarında kullanılan iki basit yöntem, doğrusal değişim (straight line) ve yıl-rakamlarının-toplamı ( sum-of-the-years-digits ) yöntemleridir. n, tahmini yararlı ömrü, S, ömür sonundaki hurda değerini, C0 , toplam amortize edilebilir yatırımı göstersin. Bu durumda her iki yönteme göre k. yıldaki amortizman indirimi ile k. yılın sonundaki toplam amortizman indirimi aşağıdaki bağıntılarla gösterilebilir : 191 Doğrusal değişim C0 − S n C0 − S ⋅k n Yıl-rakamlarının-toplamı ⎡ 2 (n + 1 − k ) ⎤ − S)⎢ ⎥ ⎣ n (n + 1 ) ⎦ (C 0 (C 0 ⎡ k ( 2n + 1 − k ) ⎤ − S)⎢ ⎥ ⎣ n (n + 1 ) ⎦ Örnek : 16 000 dolara alınan bir kompresörün tahmini yararlı ömrü 7 yıl, hurda değeri de 2 000 dolardır. Bu yatırım için yıllık amortizman indirimini ve k. yıl sonundaki defter değerini hesaplayınız. Doğrusal değişim yöntemine göre amortizman indirimi her yıl sabit olup, ( 16 000 - 2 000 ) / 7 = 2 000 dolardır. k. yıl sonundaki defter değeri ise ( 16 000 - 2 000 k ) bağıntısıyla hesaplanabilir. Yıl-rakamlarının-toplamı yöntemine göre, önce yıl rakamlarının toplamı bulunur : Bu değer, 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 = 28’ dir. Birinci yıl için amortizman indirimi, ( 7 / 28 ) ( 16 000 - 2 000 ) = 3 500 dolar, defter değeri, 16 000 - 3 500 = 12 500 dolar olur. İkinci yıl için amortizman indirimi, ( 6 / 28 ) ( 16 000 - 2 000 ) = 3 000 dolar, defter değeri 12 500 - 3 000 = 9 500 dolar olur. Diğer yıllar için değerler benzer biçimde hesaplanır. Dikkat edilirse ikinci yöntemde daha hızlı bir amortizman öngörülmektedir. 192 Yukarıda açıklananlara ek olarak daha başka amortizman hesap yöntemlerinden de söz edilebilir. Örneğin Hızlandırılmış Amortizman Yöntemi ( Accelerated Cost Recovery System, ACRS ) sıkça kullanılan yöntemlerden biridir. Ancak amortizman indiriminin yasa ve yönetmeliklerle yakından ilgili olduğu unutulmamalıdır. 19.5 PROJE DEĞERLENDİRME YÖNTEMLERİ 19.5.1 Geri Ödeme Süresi Yöntemi ( Simple Payback Period ) Bu yöntem hızlı değerlendirme yapmaya olanak sağlayan en basit yöntemdir. Geri ödeme süresi, projeden sağlanan gelirlerin, başlangıçta yapılan yatırımın giderlerini karşılayacağı süre olarak tanımlanır. Yıllık gelirlerin eşit olması varsayımına göre, geri ödeme süresi (GÖS), şu bağıntıyla hesaplanabilir : GÖS ( yıl ) = Toplam yatırım maliyeti Yıllık ortalama net gelir Geri ödeme süresi genellikle bir kıstas olmaktan çok bir sınır olarak kullanılır. Örneğin bir fabrika enerji projeleri için bir en üst geri ödeme süresi belirleyip, daha uzun süreli projeleri saf dışı bırakabilir. Geri ödeme süresi yöntemi, farklı projeleri hızla karşılaştırmak ve sıralamasını yapmak için uygun bir yöntemdir. Enerji projeleri için yaygın olarak önerilen en yüksek ödeme süresi 3 veya 4 yıldır. Örnek : Bir fırına reküperatör monte edilmesi için satın alma ve montaj maliyeti 10000 USD, işletme ve bakım maliyeti 300 USD/yıl olmakta, yakma havası ön ısıtması nedeniyle de yıllık 3000 USD tasarruf edilmektedir. Çözüm : GÖS = 10000 / (3400 − 300 ) = 3.2 yıl olmaktadır. Geri ödeme süresi yöntemi basit olmasına karşın, projenin nakit akışında yıllara göre değişimi göz önüne almaz. Ayrıca ekonomik ömrü uzun olan projeleri eksik değerlendirir. Ekonomik ömürleri eşit olan A ve B projelerinin net nakit akışlarının aşağıdaki çizelgedeki gibi olduğu düşünülsün: 193 Yıllar A Projesi B Projesi 0 - 2000 -2000 1 100 1000 2 200 500 3 700 250 4 1000 150 5 200 100 6 1500 1700 Bu durumda A projesinin geri ödeme süresi 4, B projesinin geri ödeme süresi 5 yıl olmaktadır. A projesi daha cazip görünmektedir. Oysa paranın zaman değeri hesaba katılırsa, düşük bir faiz oranıyla bile B projesi daha kazançlı olacaktır. Geri ödeme süresi yönteminde, • Paranın zaman değeri, • Değişen enerji fiyatları, • Verginin etkisi, • Yatırım mallarının hurda değeri, göz önüne alınmaz. Üretimin ve üretimli ilgili parametrelerin zaman içinde değişmediğini varsayar. Kısıtlamalarına rağmen basit geri ödeme yöntemi çok sayıda projenin hızlı bir biçimde taranmasına olanak tanır ve önceliklerin belirlenmesi bakımından oldukça uygundur. 19.5.2 Net Bugünkü Değer Yöntemi ( Net Present Value ) Yukarıda da belirtildiği gibi, geri ödeme süresi yöntemi, projenin nakit akışında yıllara göre değişimi göz önüne almaz. Net bugünkü değer yönteminde ise projenin yıllara göre değişebilen kazançları ve harcamaları, önceden belirlenen bir faiz oranına ( i ) göre bugünkü değerlerine dönüştürülür. Böylece bugün itibariyle net kazançlar, net harcamalardan büyük ise projeye olumlu bakılır. Bu durum aşağıdaki bağıntı ile gösterilebilir: NBD = NNA0 ⋅ a0 + NNA1 ⋅ a1 + NNA2 ⋅ a2 +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ + NNAn ⋅ an Burada : NBD : net bugünkü değer, NNAk : yılsonu itibariyle k. yıldaki net nakit akışı, 194 ak : 1 / (1 + i )k ile verilen k. yıl için iskonto faktörüdür. Yukarıdaki bağıntıda 0 indisi, bugünü göstermektedir. Projenin ekonomik açıdan kabul edilebilmesi için NBD ’ nin sıfırdan büyük olması gerekir. Çok sayıda alternatif proje arasında seçim yapılırken net bugünkü değeri en yüksek olan proje seçilir. Örnek : Bir atık ısı geri kazanım projesi için aşağıdaki bilgiler verilmiştir. Proje net bugünkü değer yöntemine göre değerlendirilecektir : Başlangıç yatırımı : 25 000 USD Projenin ekonomik ömrü : 7 yıl Yıllık enerji tasarrufu : ilk yıl için 8500 USD, sonraki yıllar için 12000 USD İlave bakım maliyeti : 1250 USD/yıl İlave işçilik : 3000 USD/yıl İlave kimyasallar : 500 USD/yıl Hurda değeri : 7. yılın sonunda 3000 USD Çözüm : Projenin nakit akış diyagramı aşağıda gösterilmiştir. 10 250 7 250 7 250 7 250 7 250 7 250 3 750 25 000 195 Net bugünkü değer aşağıdaki çizelge yardımıyla hesaplanabilir : Yıllar Yatırım Enerji tasarrufu Bakım İşçilik Kimyasallar Hurda değeri Net nakit akışı İskonto faktörü NNA × a NBD 0 1 -25000 8500 -1250 -3000 -500 -25000 3750 1 0.909 -25000 3409 8634 2 3 4 5 6 7 12000 -1250 -3000 -500 12000 -1250 -3000 -500 12000 -1250 -3000 -500 12000 -1250 -3000 -500 12000 -1250 -3000 -500 7250 0.826 5989 7250 0.751 5445 7250 0.683 4952 7250 0.621 4502 7250 0.564 4089 12000 -1250 -3000 -500 3000 10250 0.512 5248 Net bugünkü değer artıdır. Bu bakımdan projenin kazançlı bir proje olduğu sonucuna varılabilir. Bu yöntemle ilgili olarak bir noktanın altı çizilmelidir. Çözümlemede önemli bir parametre proje ömrüdür. Oysa başlangıçta proje ömrünü belirlemek kolay olmayabilir. Bu nedenle bazı mühendisler proje ömrünü bilinmeyen bir parametre alıp, olurluğu bu parametrenin fonksiyonu olarak incelemeyi tercih ederler. Örnek : Bir çimento fabrikasında klinker soğutucusundan çıkan 250 oC sıcaklıkta ve 40000 m3/h debisindeki atık havanın enerjisinden yararlanılması tasarlanmaktadır. Bu amaçla bir ısı değiştiricisinde atık hava 150 oC sıcaklığa soğutulurken, ısıtma amacıyla kullanılacak su da 40 oC sıcaklıktan, 90 oC sıcaklığa ısıtılacaktır. Isı değiştiricisinin maliyeti 150 000 USD’ dir. Sistemin olurluğunu (a) basit geri ödeme süresi yöntemiyle, (b) net bugünkü değer yöntemi ile araştırınız. Havanın hacimsel özgül ısısını 1.3 kJ/m3-oC, ısı değiştiricisi etkinliğini 0.8 alınız. Bugünkü değer yöntemi için yatırımın ömrünü 6 yıl, faiz oranını da dolar üzerinden %12 alınız. Çözüm : 196 Termodinamik çözümleme : Sistemin bir saate geri kazandığı ısı enerjisi, ( 40000 m3/h ) (1.3 kJ/m3-oC ) ( 250 oC − 150 oC ) ( 0.8 ) = 4 160 000 kJ / h olarak bulunur. Sistemin yılda 200 gün, günde 18 saat çalıştığı varsayılırsa, yıllık ısı enerjisi geri kazanımı, (4 160 000 kJ / h ) ( 18 h / gün ) ( 200 gün / yıl ) = 14.976 × 10 9 kJ olur. 1 m3 doğal gazın ısıl değeri 35 500 kJ/m3 alınırsa, ısı enerjisi kazanımının doğal gaz eşdeğeri, 14.976 × 10 9 kJ / ( 35 500 kJ/m3 ) = 421 859 m3 parasal karşılığı ise, 1000 m3 doğal gazın fiyatı 180 USD alınırsa, 75 935 USD olur. Ekonomik Çözümleme : (a) Geri ödeme süresi, GÖS = 150 000 / 75 935 ≅ 2 yıl olmaktadır. (b) Net nakit akışı tablosu aşağıda verilmiştir : Yıllar Yatırım Enerji tasarrufu Net nakit akışı İskonto faktörü NNA x a NBD 0 -150 000 -150 000 1 -150 000 162 245 1 2 3 4 5 6 75935 75935 0.893 67810 75935 75935 0.797 60520 75935 75935 0.712 54066 75935 75935 0.636 48295 75935 75935 0.567 43055 75935 75935 0.507 38499 Her iki yöntemle de yatırımın karlı olduğu görülmektedir. 19.5.3 Fayda Masraf Oranı ( Benefit Cost Ratio ) Büyük bir sermaye kullanarak gerçekleştirilen bir projenin, küçük bir sermayeyle gerçekleştirilen bir projeye oranla daha büyük bir net bugünkü değer yaratması doğaldır. Bu durumda çeşitli büyüklükteki projeler arasında bir karşılaştırma yapabilmek amacıyla fayda/masraf oranının hesaplanması yararlı olur. Bu oran fayda 197 ve masrafların bugüne indirgenmiş değerlerinin birbirine bölünmesiyle elde edilir. Fayda masraf oranı, F / M, F / M = NBD / BI bağıntısıyla hesaplanır. Burada, NBD, faydaların net bugünkü değeri, BI, yatırımın bugünkü değeri olmaktadır. Yukarıda verilen örnek için fayda/masraf oranı, F / M = 33634 / 25000 = 1.34 olmaktadır. Fayda masraf oranının 1’ den büyük olması, yatırımın kazançlı olduğunu gösterir. 19.5.4 İç Karlılık Oranı ( Internal Rate of Return ) İç karlılık oranı, projenin ömrü süresince sağlanacak faydaların net bugünkü değerini, yatırımın bugünkü değerine eşit kılacak bileşik faiz oranı olarak tanımlanır. Böylece bu yöntemde faiz oranı bilinmeyendir. İç karlılık oranı ne kadar yüksekse projenin kabul edilebilirliği o ölçüde yüksektir. Bu oran aynı zamanda proje sahibine en yüksek hangi faiz oranından borçlanabileceği konusunda fikir verir. İç karlılık oranının hesaplanması çoğu kez bir deneme yanılma uygulamasını gerektirir. 19.6 Belirsizlik ve Duyarlık Analizi Proje geleceğe yönelik olduğu için bir belirsizlik içerir. Yakıt, hammadde girdileri, ve ücretlerdeki artışlar, kullanılan teknolojinin zaman içinde eskimesi ve vergilerdeki olası değişimler bu belirsizliğin kaynaklarıdır. Bu bakımdan projede kabul edilebilecek risk sınırlarının ortaya konması gerekir. Bu amaçla genellikle bir duyarlık analizi yapılır. Duyarlık analizinde değerlendirmeyi etkileyecek parametreler saptanır ve bu parametrelerdeki değişimlerin sonuca etkileri hesaplanır. Başka bir deyişle, bir parametre saptanan bir yüzde oranı veya mutlak değer ile değiştirilirken, diğer parametreler sabit tutulur ve bu değişikliğin sonuca ( örneğin NBD’ e ) etkisi incelenir. Böylece sonucun parametrelerdeki değişimlerden ne ölçüde etkilendiği saptanmış olur. 198 Kaynaklar : [1] Au, T. , T. Au, Engineering Economics for Capital Investment Analysis, PrenticeHall, Englewood Cliffs, (1992). [2] Bejan, A., G. Tsatsaronis, M. Moran, Thermal Design and Optimization, John Wiley and Sons, New York, (1996). [3] Boehm, R. F., Design Analysis of Thermal Systems, John Wiley and Sons, New York, (1987). [4] DeGarmo, E.P., W. Sullivan, J. Bontadelli, E. Wicks , Engineering Economy, 10th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, (1997). 199 6. ÖLÇÜM ALETLERİ VE ÖLÇÜM TEKNİKLERİ Ölçüm mühendisliğin her alanı için oldukça önemlidir. Fiziksel parametrelerin büyüklüklerini bilmeden onlar hakkında karar vermek ve mühendislik sistemlerini anlamak olanaksızdır. Biz burada enerji ve güç sistemlerinde önemli olan temel ölçüm sistemlerine ve aletlerine kısaca bir göz atacağız. 12.1 TEMEL ENERJİ ÖLÇÜM ALETLERİ VE TEKNİKLERİ Enerji ölçümündeki en temel parametreler sıcaklık basınç ve debidir, bunu daha ikinci plandaki gaz karışımlarının yüzdesi, kalori değerleri gibi ölçümler izler. Bu sistemlere sırayla bir göz atalım. 12.1.1 SICAKLIK ÖLÇÜM ALETLERİ VE TEKNİKLERİ Sıcaklık en fazla ölçülen ve kullanılan mühendislik girdisidir. Sıcaklığı atom ve molekül hareketlerinin kinetik enerjisinin makro dünyaya yansımasının ölçümü olarak tanımlayabiliriz. Temel olarak iki sıcaklık skalası kullanılır. Bunlardan Anders Celcius (1701-1744) tarafından tanımlanmış sistemde 1 atmosfer (1.01325 bar) basınçta suyun kaynama noktası 0, donma noktası 100 olarak tanımlanmış, daha sonra Carrolus Linneaeus(1707-1778) bu skalayı tersine çevirmiş ve 1 atmosferdeki suyun donma noktasını 0 ve kaynama noktasını 100 olarak değiştirmiştir. Bu ölçüm sistemi günümüzde derece Celcius (C) olarak adlandırılır. Alman fizikçi Gabriel D. Fahrenheit(1686-1736) tarafından ortaya atılan, vücut sıcaklığını 100 kabul eden ve suyun bir atmosferdeki donma noktasıyla kaynama noktası arasını 180 eşit parçaya bölen skalasıda halen kullanılmaktadır. Bu skalaya derece Fahrenheit(F) adı verilir. Bu skalada suyun 1 atmosferde donma noktası 32 F ye eşittir. Mühendislik uygulamalarında genellikle atom ve moleküllerin kinetik enerjisinin sıfırlandığı nokta ölçüm için baz alınır bu noktanın derece Celciusa karşı gelen değeri 200 –273.15 dir. Bu noktadan başlayan derece Celciusla aynı büyüklükte giden skala Derece Kelvin (K) olarak adlandırılır. Fahrenheit skalasında aynı nokta –459.67 derece Fahrenheit’e karşı gelir. Bu noktadan başlayan ve derece Fahrenheit büyüklüğüyle giden skalaya derece Rankine (R) adı verilir. Bu dört skala birbirlerine dönüştürülebilir. TC = TK – 273.15 (Eşitlik 12.1.1) TR = TF - 459.67 (Eşitlik 12.1.2) (Eşitlik 12.1.3) TR = 1.8 TK TC = (TF – 32)/1.8 (Eşitlik 12.1.4) TF =1.8*TC+32 (Eşitlik 12.1.5) Uluslararası temel standartların (SI) sıcaklık ölçüm birimi derece Kelvindir, fakat bilhassa sıcaklık farkları belirtilmesinde derece Celcius da kullanılır. Modern mühendislikte hassas sıcaklık ölçümleri yapabilmek için hassas standartlara ihtiyacımız vardır. Bu standart referans sıcaklıkları 1990 uluslararası sıcaklık skalası(ITS-90) da tanımlanmıştır[1]. Bu tanıma göre çeşitli maddelerin üçlü noktaları(katı, sıvı ve gaz fazlarının aynı anda bulunduğu noktalar) veya 1 atmosferdeki ikili noktaları (katı ve sıvı fazlarının aynı anda bulunduğu noktalar tanımlanmıştır. Bu tanımlar ve sıcaklık eşdeğerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. TABLO 20.1 ITS-90 STANDARD SICAKLIK REFERANS NOKTALARI Referans Tanımı Derece Kelvin (K) Derece Celcius (C) Hidrojenin üçlü noktası 13.8033 -259.3467 25/76 atmosfer aralığında hidrojen sıvı/gaz Yaklaşık 17 Yaklaşık –256.15 dengesi 1 atmosferde hidrojen sıvı/gaz dengesi Yaklaşık 20.3 Yaklaşık –252.87 Neonun üçlü noktası 24.5561 -248.5939 Oksijenin üçlü noktası 54.3584 -218.7916 Argonun üçlü noktası 83.8058 -189.3442 Suyun üçlü noktası 273.16 0.01 1 atmosferde Galyumun katı/sıvı dengesi 302.9142 29.7646 1 atmosferde Kalayın katı/sıvı dengesi 505.078 231.928 1 atmosferde Çinkonun katı/sıvı dengesi 692.677 419.527 1 atmosferde Gümüşün katı/sıvı dengesi 1234.93 961.78 1 atmosferde Altınının katı/sıvı dengesi 1337.33 1064.18 1 atmosferde Bakırın katı/sıvı dengesi 1357.77 1084.62 Sıcaklık ölçümleri için kullanılan başlıca metotlar şunlardır 201 1. 2. 3. 4. 5. Cam içinde sıvılı ve gazlı termometreler Bimetalik termometreler Elektrik dirençli termometreler Termoelektrik termometreler (termocouple’lar) Radyasyon termometreleri Bu metodlara kısaca bir göz atalım : Cam içinde sıvılı ve gazlı termometreler Cam içindeki sıvılardan yararlanarak sıcaklık ölçme, sıcaklık ölçümlerindeki en eski tekniktir. Bu termometreler sıvının depolandığı bir sıvı kanıyla basıncı tamamen alınmış mikroskobik bir burudan oluşur. Sıcaklığın değerinin değişmesiyle mikroskobik borudaki sıvı seviyesi lineer bir şekilde değişir. Bu tür termometrelerin kullanılmasında termometrenin ne kadar bir kısmının ölçüm yapılacak sistemin içinde olması gerektiği önemlidir. Hassas termometrelerde bu değer genellikle termometrenin üzerinde yazar. 1mm den başlayıp bazı termometreler için termometrenin tamamının ölçü ortamı içinde olması gerekebilir. Gazlı termometreler gazın basıncının sıcaklığın fonksiyonu olarak değişmesini esas alır. Tüpün içindeki gazın basıncı bir basınç ölçer aracılığıyla ölçülür. Basınç ölçer direk olarak sıcaklık skalasına da ayarlanabilir. Bimetalik termometreler Bimetalik termometreler değişik metallerin ısıl genleşmelerinin değişik olması prensibine dayanır. Üst üste yapıştırılmış iki metal değişik ısıl genleşmeden dolayı sıcaklığın fonksiyonu olarak eğilir. Sıcaklığın fonksiyonu olan bu eğilimin ölçülmesi bize sıcaklığı verir. 202 Şekil 12.1.1 Gazlı termometre Elektrik dirençli termometreler Elektrik dirençli termometreler temel olarak iki ana gurupta toplanabilir. Birincisi direnç sıcaklık detektörleri (RTD), diğeri ise termistorlardır. RTD metodu genelde metallerin direncinin sıcaklıkla değişmesi, ve saf metaller için bu değişimin tam olarak bilinmesine dayanır. Bir saf metal telin referans sıcaklıktaki(T0) direnci (R0) biliniyorsa, T sıcaklığındaki direnci : R=R0[1 + α(T – T0) + β(T – T0)2 + ........] (Eşitlik 12.1.6) Formülüyle verilir burada α,β,....malzemeye bağlı sabitler olup tablolar halinde verilmiştir. Belirli bir sıcaklıkta R değeri ölçülerek bulunur ve sıcaklık polinomum çözülmesinden elde edilir. Eğer çok fazla bir hassasiyete gerek yoksa polinomun sadece ilk lineer terimi de kullanılabilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta devrede kullanılan tüm tellerin belirli bir direnci olduğu ve bunlar göz önüne alınmazsa rahatlıkla hata yapılabileceğidir. Bu hataları minimize etmek için çeşitli köprü devreleri kullanılır. 203 Termistorlar (Thermally sensitive resistors=ısıya duyarlı dirençler)genellikle seramikten yapılmış yarı iletken malzemelerdir. Termistorların dirençleri R=R0 exp[β(1/T – 1/T0)] (Eşitlik 12.1.7) Formülü ile değişir. Bu denklemdeki β katsayısı da sıcaklık ve malzemenin fonksiyonudur. Genellikle 3500 K – 4600 K arasında değişir. β değeri genellikle imalatçı tarafından verilir ve küçük bir sıcaklık bölgesi için sabit olarak kabul edilebilir. Daha hassas ölçümler için β değerinin sıcaklığın fonksiyonu olarak değeri denkleme ilave edilmeli ve non-lineer denklem sistemi çözülmelidir. Termistorlarda genel olarak direnç değişimi RTD’ler ile kıyaslandığında oldukça büyüktür. Direnç termometreleriyle oldukça hassas ölçüm yapmak mümkündür. Bu yüzden kalibre termometreleri olarak yaygın bir şekilde kullanılırlar. Termoelektrik termometreler Termoelektrik termometreler genelde termocouple adıyla anılırlar ve en yaygın olarak kullanılan sıcaklık ölçüm metodudur. Termocople iki değişik malzemeden yapılmış tellerin iki ucundan bağlanmasına dayanır. Thomass Johann Seebeck (1770-1831) bu iki telin bağlantı noktalarının değişik sıcaklıktaki ortamlara sokulduğunda telden bir akımın geçtiğini bulmuştur. Bu olaya Seebeck etkisi adı verilir. Tellerin bir ucu standart bir referans noktasında (örneğin su-buz karışımında) tutulursa, devrenin voltajı belirli bir tel çifti için direk olarak sıcaklığın fonksiyonudur. Şekil 12.1.2 Termocouple prensibi 204 Şekil 12.1.3 Termocouple ve referans telinin bağlanması Amerikan ulusal standartlar enstitüsü (The National Institute of Standards=NIST) standart termocouple malzemeleri ve imal usulleriyle ilgili standartlar yayınlamıştır. Bu standartlara göre oluşturulmuş tellerin vereceği voltaj(emf) değerleri bilindiğinden ucuz sıcaklık ölçüm sistemleri geliştirilebilmiştir. Başlıca standart thermocouple çiftleri Tablo 20.2 de verilmiştir. Bunlara karşı gelen standart voltajlarda (0 C referans değeri ) Şekil 12.1.4 de görülmektedir. Tablo 20.2 Standart termocouple bileşenleri Tip Tel Pozitif (+) Negatif (-) S Platin Platin/10% Rodyum R Platin Platin/ 13% Rodyum B Platin/30% Rodyum Platin/6% Rodyum T Bakır Konstantan J Demir Konstantan 205 Standarda hata miktarı K Kromel Alumel E Kromel Konstantan Malzeme detayı : Konstantan(Constantan) : 55% Bakır, %45 Nikel Kromel(Chromel) : 90% Nikel, 10% Krom Alumel : 94% Nikel,^% Manganez,2% Aliminyum,1% silikon Termocouple sıcaklık ölçümleri için el tipi veya laboratuar tipi çeşitli ölçüm ve kontrol cihazları geliştirilmiştir. Bu cihazların çoğunda ya sabit sıcaklık referans noktaları bulunur, ya da termistor tipi bir resistance termometresiyle ortam sıcaklığını ölçüp referans sıcaklığı olarak kullanır. Bu tip araçların ucuz olması genellikle kalibre edilmeden kullanılmalarına yol açmaktadır. Her mühendislik ölçüm aletinde olduğu gibi el tipi termocouple okuyucularının da kalibre edilmeleri gerekir. Diğer önemli bir nokta da bu tip el cihazlarının içine girilen voltaj-sıcaklık eğrileri genelde belli bir sıcaklık bölgesi içindir. Bunun dışında ölçüm yapılacak olursa bu cihazlar çok yanlış sonuçlar verebilir. Radyasyon termometreleri Radyasyon elektromanyetik dalgaların bir cismin yüzeyinden yayınımıdır. Radyasyonun hem dalga hem de parçacık özelliği gösterdiği söylenebilir. Bir radyasyon kaynağından yayılan enerji yüzeyin dalga boyu, yüzey karakterleri ve sıcaklığın fonksiyonudur. Radyasyon yardımıyla sıcaklık ölçümü genelde radyasyon kaynağından çıkan enerjinin saptanmasına bağlıdır. İdeal siyah bir yüzey (belirli bir sıcaklıkta maksimum radyasyon yayınlayan yüzey) belirli bir dalga boyunda Max Plank(1858-1947) tarafından geliştirilen Ebλ = [2*π * hp*c2]/[λ5*(exp(hp*c / kb λT)-1)] (Eşitlik 12.1.8) Denklemine göre enerji yayar. Buradaki Ebλ toplam λ dalga boyunda yayılan ideal siyah yüzey enerjisi enerji miktarı, λ dalga boyu, c ses hızı = 2.988*108 m/s hp Plank sabiti = 6.6256*10-34 J-s/molekül kb Boltzman sabiti = 1.3805*10-23 J/(K molekül) eğer bu denklem tüm dalga boyları için integre edilirse ideal siyah yüzeyin tüm dalga boylarında yayabileceği toplam enerji çıkar. Eb = σ T4 (Eşitlik 12.1.9) 206 Burada σ Stefan-Bolzman sabiti adını alır ve değeri 5.67*10-8W/(m2K4) e eşittir. Bizim ısı enerjisi olarak algıladığımız dalga boyları genelde sadece 10-1 den 102 μm 207 Şekil 12.1.4 Çeşitli termocouple tellerinde (0 C referans) voltaj-sıcaklık eğrileri civarındadır. Gerçek yüzeyler ideal siyah yüzeye göre daima daha az radyasyon yayarlar. Gerçek yüzeyin yaydığı radyasyonun ideal siyah yüzeyin yaydığı radyasyona oranına emisivite adı verilir. Yani 208 Eλ = ελ Ebλ (Eşitlik 12.1.10) E = ε Eb (Eşitlik 12.1.11) Buradaki ελ λ dalga boyunda yayılan enerjinin ideal siyah yüzey enerjisi enerji miktarına oranıdır. ελ dalga boyunun fonksiyonudur. Buradaki ε tüm dalga boylarında yayılan toplam enerjinin ideal siyah yüzey tarafından tüm dalga boylarında yayılan enerji miktarına oranıdır. ε dalga boyunun fonksiyonu değildir. Sadece yüzeyin bir parametresidir. Bu bilgilerin ışığı altında radyasyon termometrelerinin çalışma prensibini anlayabiliriz. Eğer belli bir yüzeyden belli bir dalga boyunda, veya dalga boyu spektrumunda (örneğin ısı enerjisi spektrumunun tamamı veya bir kısmında), yada toplam olarak bütün dalga boyu spektrumunda gelen radyasyon enerjisini ölçebilirsek ve yüzeyin emisivite değerini biliyorsak veya ölçebiliyorsak o yüzeyin sıcaklığını 12.1.8..12.1.10 eşitlikleri yardımıyla hesaplayabiliriz. Eğer sadece belli bir dalga boyu aralığına bakıyorsak 12.1.8 in dalga boyu için entegrasyonu sadece bu dalga boyu için yapılır. Bu entegrasyon genelde tablolar ve bilgisayar programı yardımıyla hesaplanır. Yüzeye gelen enerji miktarının ölçülmesi yüzeye gelen fotonlara duyarlı ve gelen fotonların çarpmasıyla elektrik enerjisi üreten yarıiletken hücreler yardımıyla yapılır. Infrared bölgesinde ölçüm yapan hücreler soğutularak enerji ölçme kapasiteleri arttırılır. Bu metodun en büyük avantajı ölçüm yapılacak yüzeye direk temas gerekliliğini ortadan kaldırmasıdır. Elektromanyetik radyasyona hassas hücrelerden oluşturulan bir matris networkuyla bu ölçüm yapılırsa sadece bir noktanın değil, bir yüzeyin sıcaklık haritası çıkarılabilir. Bu tür aygıtlara ısıl (thermal) kamera adı verilmektedir. 12.1.2 BASINÇ ÖLÇÜM ALETLERİ VE TEKNİKLERİ Temel anlamda basınç birim yüzey alanına gelen kuvvet olarak tanımlanabilir. Basınç birimi kuvvet/yüzey olacağından Newton/m2 = (kg*m/s2)/m2 = N/m2 dir. Bu birime özel olarak Pascal (Pa) olarak adlandırırız. Pa çok küçük bir basınç birimi olduğundan genellikle katları kiloPascal(kPa), MegaPascal(MPa) ve bar(105 Pa) kullanılır. Bizim yaşadığımız ortam dünya yüzeyidir. Atmosfer kalın bir gaz tabakası olduğundan temas ettiği yüzeylere belli bir basınç uygular. Bu yüzden biz basıncı ya mutlak değer olarak ya da atmosfer basıncına göreceli olarak ölçeriz. Toplam basınç değerine mutlak basınç, bir basınç ölçerden atmosfer basıncına göreceli olarak ölçtüğümüz basınca da alet basıncı (ölçüm basıncı) adı verilir. 209 Şekil 12.1.5 Sıvılı manometre Şekil 12.1.6 Fortin tipi cıvalı barometre Mutlak Basınç = Alet Basıncı + Atmosfer basıncı Standart atmosfer basıncı 101.325 kPa’dır. Hassas olmayan ölçümlerde bu değer atmosfer basıncı olarak kullanılabilir. Elbette ki mutlak basıncı ölçmek için ayrıca atmosfer basıncını da ölçmek gerekir. Atmosfer basıncını ölçtüğümüz aletlere genel olarak barometre, atmosfere göre göreceli sistem basıncı ölçtüğümüz aletlere manometre adı verilir. Şekil 12.1.5 ve 12.1.6 bir cıvalı barometre ve sıvılı manometreyi göstermektedir. 210 Şekil 12.1.7 eğimli sıvı tipi manometre Sıvılı manometreler ve barometreler, manometrenin iki u kolundaki toplam kuvvetlerin eşit olması prensibine dayanarak çalışırlar. Örneğin şekil 12.1.5 de gösterilen manometrenin sağ ve sol kolu için şu kuvvet eşitliğini yazabiliriz: P1 + γ H = P 2 + γ m H E b (Eşitlik 12.1.12) Bu denklemde γ = ρ g g=9.81 m/s2 yerçekimi sabiti, ρ özgül ağırlıktır. Sıvı tipi barometreyi ise bir tarafı sıvının buharlaşma basıncında gaz fazı bulunan diğer tarafı ise atmosfere açık bir manometre olarak düşünebiliriz. Bu yüzden bu tip bir barometrede atmosfer basıncı : Patmosfer = γsıvı H - Pgaz_buharlaşma (Eşitlik 12.1.13) formülüyle hesaplanabilir. Şekil 12.1.7 de görülen manometrede bir kol açıyla yerleştirilmiştir. Burada gaye çok küçük basınç değişimlerini kalaylıkla okuyabilmektir. Sıvıların dökülebilme olasılıkları bu tip manometrelerin günümüzde fabrikalarda kullanılmasını sınırlamıştır. Bu gün fabrikalarda basınç ölçümünde en fazla görülen manometre türü Bourden tipi borulu manometrelerdir. Bu manometrelerde bir ucu kapalı, dairesel eğim verilmiş bir boru bulunur. Basınç uygulandığında bu boru açılmaya çalışarak hareket eder. Bu hareket yay ve dişliler yardımıyla bir gösterici ekrana taşınır. Şekil 12.1.8 de bourden tipi bir manometre görülmektedir. 211 Şekil 12.1.8 Bourden tipi manometre Bourden tipi manometreler hem kullanışlarının kolay olması hem de ucuz olmaları sebebiyle en sık kullanılan basınç ölçüm sistemleri haline gelmişlerdir. Bu tip manometrelerin en büyük sorunu elastik kıvrık borudaki plastisite dolayısıyla kalibrasyonlarının bozulmasıdır. Periodik olarak kalibrasyonları gerekir. Bu tür ve diğer tür manometrelerin kalibrasyonunda en çok ölü ağırlık test sistemi (dead weight tester) denilen kalibrasyon aracı kullanılır. Şekil 12.1.9 Ölü ağırlık test sistemi (dead weight tester) 212 Bu araçta ölçülecek manometre referans giriş bölümüne bağlanır. Pistonun kendinin bir ağırlığı vardır. Bu ağırlığın üzerine biline miktarda ağırlıklar ilave edilir ve pistonun statik sürtünme yükü taşıması engellenmek için döndürülür ve manometrenin okuduğu değer kaydedilir. Basınç arttırılır, piston ayarlanabilir vida yardımıyla aynı konumda tutulur. Pistonun alanı bilindiğinden uygulanan basınç her zaman bilinmektedir. Manometrenin okuduğu basınç kalibrasyonda uygulanan basınçla kalibre edilir. Pmanometre= Pölüağırlık test sistemi = m g Ae (Eşitlik 12.1.14) Basınç transduserları Şekil 12.1.10 Patansiyometreli transduser Modern fabrikalarda tüm basınç değerleri gözle ölçülmez. Otomasyon uygulamalarının artması, basınç değerlerinin bilgisayarlara direk olarak okunmasını zorunlu kılmaktadır. Basınç transduserlarında basınç değeri elektrik gerilimi veya akımına dönüştürülerek iletilir. Bu tür aygıtların en basiti şekil 12.1.10 da görülen potansiyometreli transducer sistemidir. Burada ince bir cidarı olan esnek gövdeli kabın bir ucundan basınç uygulanır. Basınç altında kabın boyu uzar ve potansiyometre çubuğunu hareket ettirir ve direnci değiştirir. Devrenin voltaj değeri dış okuyucuya gönderilir. 213 Şekil 12.1.11 Strain gauge’li transduser Diğer bir transducer şekil 12.1.11 de görülen strain gauge’li transducerlardır. Bu transduserda içerde bulunan bir diyaframın üzerine strain gauge ler yerleştirilmiştir. Diyafram basınç değişimi nedeniyle gerildiğinde strain gauge’ler belli bir elektrik akımı oluşturur. Bu akımın voltaj değeri basınçla orantılıdır. Piezoelektrik kristaller bilhassa dinamik basınçların ölçülmesinde oldukça başarılı sistemlerdir. Bir piezoelektrik kristaline uygulanan basınç değiştiğinde bu değişimle orantılı bir elektrik gerilimi oluşur. Şekil 12.1.12 de bir piezoelektrik basınç transduseri görülmektedir. 214 Şekil 12.1.12 Piezoelektrik transduser 12.1.3 AKIŞ VE HIZ ÖLÇÜM ALETLERİ VE TEKNİKLERİ Akış ölçümlerinde kullanılan en temel metot akıştaki dinamik ve statik basınçları ölçmektir. Akan bir akışkanın aynı akış hattı üzerindeki iki noktadaki basıncı: P1 + ρ U12/(2g) = P2 + ρ U22/(2g) = Pdinamik (Eşitlik 12.1.15) Olarak gösterilebilir. Bu denklemden de görüleceği gibi akış hattı boyunca statik basınç ve hız değişebilmekte fakat dinamik basınç sabit kalmaktadır. Dinamik basınç pitot tüpü veya kiel probu denilen aygıtlarla ölçülebilir. Burada temel prensip akış yönüne dik olan ve ucu direk olarak bir basınç ölçere bağlanan ince boruların kullanılmasıdır. Eğer aynı noktada akışa dik olarak basınç ölçülebilirse, bu da bize statik basıncı verir. Bu iki değer hızın direk olarak hesaplanmasını sağlar. Şekil 12.1.13 de bir pitot-statik borusu görülmektedir. 215 Şekil 12.1.13 Pitot-statik tüp hız ölçüm sistemi Eşitlik 12.1.15 de basınç değişiminin çok fazla olmadığı varsayılmaktadır. Basınç düşümünün fazla olduğu akışlara sıkıştırılabilir akışlar denir (gazlar için). Bu akışlar için eşitlik Pdinamik = P + ρ U2/(2g)*[1 + M2/4 +(2-k)M4/24+...] (Eşitlik 12.1.16) Bu eşitlikte k=Cp/Cv adyabatik sabit , M=U/a mach sayısı, a = (kRTg)1/2 ses hızı, R gaz sabiti, T sıcaklık, g yerçekimi ivmesidir. Denklemdeki M ve U ikisi de hız terimleri olduğundan denklem non-lineerdir. Diğer bir hız ölçüm yöntemi ise ısıl(termal) anemometri yöntemidir. Termal aneometri daha önce sıcaklık ölçümlerinde gördüğümüz bir direnç termometresi (RTD) içerir. Bu tür termometrede sıcaklık direnç ilişkisi Eşitlik 12.1.6’da verilmişti. Termal aneometrede direnç termometresinden telin sıcaklığını sabit, fakat akan gaz sıcaklığının üzerinde tutacak bir akım geçirilir. Sistem ısıl dengeye geldiğinde oluşan ısı enerjisi akan gaz tarafından ısı enerjisi olarak alınıyor demektir. Bu durumda ısı transferi ve hız arasında Q= I2 R = A + B Un (Eşitlik 12.1.17) eşitliği mevcuttur. Bu eşitlikte Q ısı transferi, I telden geçen akımı A,B ve n telin geometrisine bağlı sabitler olup değerleri kalibrasyon metotlarıyla tespit edilebilir. Şekil12.1.13 de termal aneometrenin şekli görülmektedir. 216 Şekil 12.1.14 Isıl(termal) aneometre Diğer bir hız ölçme yöntemi de dopler aneometredir. Dopler etkisi radarların temel çalışma prensibini oluşturan etkidir. Belirli frekanstaki bir sinyal hareket eden bir cisme çarptığında yansımasında cismin hızına göre frekansta belli bir değişme olur. Bu değişimden cismin hızı ölçülebilir. Aynı prensip akışkanların hızını ölçmek için de kullanılabilir. Şekil 12.1.15 de lazer dopler anamometresinin şekli ve çalışma prensibi görülmektedir. Şekil 12.1.15 Lazer dopler anemometresi Burada akışkan hızıyla Dopler frekansı arasında (Eşitlik 12.1.18) U=λ/[2 sin(θ /2)]*fD burada λ kullanılan lazerin dalga boyu, θ şekilden de görüldüğü gibi sistemdeki merceğin kırma açısı ve fD ölçülen dopler frekansıdır. Belli bir lazer dopler aneometresi için fD haricindeki diğer deyimler sabittir. 217 Yukarda verilen hız ölçüm metodlarıyla belirli bir akıştaki hız değişimlerini belirliyebiliriz. Eğer gayemiz sadece bir borudan akan ortalama hızları veya debileri belirlemekse daha değişik yöntemler de kullanılabilir. Boru içi akışlarda ortalama hızlar için bernoulli denklemi yazılabilir. P1/(ρg) + U1/(2g) = P2/(ρg) + U2/(2g) + hL 1-2 (Eşitlik 12.1.19) Eşitlikteki hL 1-2 sürtünmelerden doğan basınç kayıplarıdır. İki nokta arasında potansiyel farkı olmadığı kabul edilmiştir. Ayrıca boru içine herhangi bir çap değiştirici sistem koyarsak akış bu sistemi geçerken hala aynı değeri korur fakat hız ve basınç değişir. Q = U1A1 = U2A2 (Eşitlik 12.1.20) Q hacimsel debi adını alır. Bu iki denklem bir arada çözülürse Q=K0A1[2(P2-P1)/ ρ]1/2 (Eşitlik 12.1.21) Şekil 12.1.16 kısıtlandırılmış boru ölçüm sistemleri Buradaki A1 boru çapı, K0 kayıp katsayısıdır. 218 Çap değiştirici sistemlere örnek olarak orifis metreler, venturi metreler v uzun çaplı lüleler verilebilir. Şekil 12.1.16 da bu aygıtlar gösterilmiştir. Düz kenarlı orifis metre için K0 katsayısı (SI birim sisteminde) K0 = 1/(1-β4)1/2[0.5959+0.0312β2.1−0.184β8+2.286d1-1β4(1− β4)−1 − 0.8560 d11β3 + 91.71β2.5Red1-0.75] (Eşitlik 12.1.22) 1/2 formülüyle hesaplanabilir. Burada β= d2/d1=(A2/A1) orifis çapının boru çapına oranı, Red1 borunun Reynolds sayısıdır. Şüphesiz Re debin,n fonksiyonu olduğundan deneme yanılma metodunun uygulanması gerekebilir. Son yıllarda elektromanyetik akış ölçüm sistemleri alış ölçümünde önemli bir er kazanmıştır. Bunun başlıca sebebi bu sistemlerle akışa direk olarak ulaşmadan akışın tespitinin mümkün olmasıdır. Ölçümün temel prensibi manyetik alan içinde akan bir akışkanın manyetik alan kuvveti ve hızla orantılı bir akım oluşturmasıdır. B manyetik alanından U hızıyla L boyu boyunca akan bir sıvı E=U*B*L (Eşitlik 12.1.23) voltajını oluşturur. Bu voltaj ölçülerek hız bulunabilir. Şekil 12.1.17 de bu tür bir akış ölçerin çalışma prensibi görülmektedir. Şekil 12.1.17 Elektromanyetik debi ölçerlerin çalışma prensibi 219 Vorteks akış ölçerlerde akış ölçümünde kullanılan diğer sistemlerdir. Vorteks debi ölçümünde borunun içine türbülans oluşturacak bir şekil yerleştirilir. Akış bu şekil üzerinden geçerken oluşturduğu türbülans borunun dışından bir ses dinleme sistemiyle kaydedilir. Ses akış oranıyla orantılıdır. Bu tür akış ölçerler Re sayısı 10000 nin üzerindeki akışlarda kullanılır. Rotametreler de basit ve ucuz akış ölçüm sistemleridir. Temel olarak konik bir boru içine yerleştirilmiş genelde konik yapılı yüzer bir elemandan oluşur. Akışkan sistemin altından girerek yukarıya doğru akar ve içteki hareketli konik parçayı yukarıya doğru iter. Dış boru çapı değişken olduğundan yüzer parça borunun belli bir noktasında akışın uyguladığı kuvvetle denge haline gelir ve durur. Yüzer parçanın durduğu nokta bize akış oranını verir. Şekil 12.1.18 de bu tür bir akış ölçer görülmektedir. Türbin tipi akış ölçerlerde boru içine döner kanatlı bir türbin yerleştirilir. Türbinin dönme hızı direk olarak akış oranıyla bağıntılıdır. Bu hız çeşitli metotlarla saptanarak akış hızı bulunabilir. Şekil 12.1.19 da türbin türü bir akış ölçer görülmektedir. Pervaneli aneometreler de bu tür akış ölçerlerin örneklerindendir. Şekil 12.1.18 Rotometre tipi akış ölçer 220 Şekil 12.1.19 Türbin tipi akış ölçer Toplam kütlesel debi ölçmek için yaygın olarak kullanılan bir araçta corrolois tipi debi ölçerdir. Bu sistemde temel olarak dönen bir sıvının uyguladığı merkezkaç kuvvetten yararlanılır. Açık kanallı akışlarda debi ölçümümde savaklardan yararlanılır. Savak genel olarak V şeklinde bir akış kapısı olup akan sıvının debisine göre sıvının savaktaki yüksekliği değişir. Bunların dışında daha birçok değişik ölçüm teknikleri mevcuttur. Burada sadece temel prensipler ve en çok kullanılan bazı metotlar hakkında bilgi verilmeye çalışılmıştır. 12.1.4 BAĞIL NEM ÖLÇÜLMESİ Bağıl nem ölçülmesinde en fazla kullanılan metot yaş termometre ve kuru termometre sıcaklığının saptanması ve bu değer kullanılarak enerji dengesinden nem miktarının hesaplanmasıdır. Metodun esası orijinal hava su karışımının (yaş havanın) sıcaklığının ölçülmesi ve sonra çok uzun bir su havuzunun üzerinden geçirerek nem miktarının %100 e (buharlaşma durumuna) getirilmesine dayanmaktadır. Gerçek uygulamalarda su havuzu bulunamayacağından bu şart etrafı neme doymuş bulunan ikinci bir 221 termometreden sıcaklığı okuyarak yaklaşılır(gerçekte bu adyabatik durumu tam yansıtmaz) . Giriş havasına (orijinal yaş hava) 1, çıkıştaki 100% nemli doymuş havaya 2 dersek havanın mutlak nem miktarı ω1 = [Cpa(T2-T1)+(0.622∗Pg2/(P- Pg2))∗hfg2]/(hv1 – hf2) (Eşitlik 12.1.24) formülünden hesaplanabilir. Buradaki Cpa kuru havanın özgül ısısı, T2 yaş termometre sıcaklığı, T1 kuru termometre sıcaklığı, Pg2 100% nemli doymuş havanın içindeki su buharının bağıl basıncı (doymuş su buharının T2 sıcaklığındaki buharlaşma basıncı) , hfg2 100% nemli doymuş havanın içindeki su buharının (doymuş buharın) ve aynı şartlardaki suyun entalpilerinin farkı veya diğer bir deyimle T2 sıcaklığındaki suyun kaynama entalpisidir. hv1 T1 sıcaklığındaki ve Pv1 basıncındaki suyun entalpisidir. bu entalpi değeri yerine aynı sıcaklıktaki kaynamakta olan suyun entalpisi (hg1) alınarak yaklaşım yapılabilir. hf2 100% nemli doymuş hava şartlarında kaynamakta olan sıvı suyun entalpisidir. Su ile ilgili entalpi değerleri buhar tablolarından bulunabilir. Bu formülü daha açabilmek için küçük bir örnek probleme bakalım Örnek 20.1.1 : 1 bar basıncında havanın kuru termometre sıcaklığı 24°C ve yaş termometre sıcaklığı 16°C dir. Havanın mutlak nemini ve bağıl nemini hesaplayınız. Cpa=1 KJ/kgK Pg2(16°C)=0.01818 bar hfg(16°C)=2463.6 KJ/kg hv1(24°C)=2545.4 KJ/kg hf2(16°C)=67.2 KJ/kg ω1 = [1*(24-16)+(0.0622*0.01818/(1-0.01818))*2463.6]/(2545.4-67.2) ω1 = 0.0082 kg su buharı/kg kuru hava = 0.622 *Pv1/( P - Pv1) Pv1 = 0.0130 bar Pg1(24°C) = 0.02985 bar (24 °C de doymuş buharın buharlaşma basıncı) Bağıl nem = φ = Pv1/ Pg1 = 0.0130/0.02985 = 0.436 = % 43.6 Yukarıda verdiğimiz formül psikometrik diyagram olarak da bulunabilir. Bu formülün verildiği bir bilgisayar programı, yashava.exe, http://www.mam.gov.tr/~turhan/Thermodynamics/Thermodynamics.html adresinden çekilebilir. Bu işlemleri tamamen elektronik ortamda yapan ve sonucu volt olarak veya dijital çıktı olarak gönderen aletlerde piyasada mevcuttur. 12.1.4 YANMA BACASINDAN ÇIKAN GAZLARIN ÖLÇÜLMESİ 222 Yanmanın tam olup olmadığını kontrol etmek ve tam olmayan yanmanın getirdiği enerji kayıplarını belirlemek amacıyla baca gazının bileşimini analiz etmek ve sıcaklıkları ölçmek önemlidir. Yanma veriminin tahmin edilmesi için yanma gazının sıcaklığını, giren hava miktarlarını, oksijen, karbon di oksit, karbonmonoksit, kükürtdioksit gibi gazların miktarını bilmek önemlidir. Yanma gazlarının analizi için kullanılan en basit yöntem Orsat analiz cihazıdır. Temel olarak kimyasal reaksiyonlara dayanan bir ölçme miktarıdır. Modern yanma analiz cihazları temel olarak yakıt pillerinde yakılabilen gazların yakılması, spectrofotometrik analizler gibi yöntemlerdir. CO, CH4 gibi gazlar yakıt pilleri sistemlerinde direk olarak elektrik akımı oluşturabilirler. O2 miktarı da yine yakıt hücresindeki reaksiyonlardan oluşan voltaj okunarak bulunabilir. Bu emf değerlerinin ölçülmesi gaz yoğunluklarını verir. Gazların radyasyon spektrumları da birbirinden farklıdır bunların analizi ile çeşitli gazların yüzdeleri bulunabilir. Yanma gazlarından çıkan is (Karbon) miktarı önemli bir ölçüm parametresidir. Yanma tamsa fazla bir is (karbon emisyonu) görülmez, aksi takdirde oldukça yoğun isle karşılaşabiliriz. Çıkan is miktarının kalitatif değerlendirilmesiyle yanma hakkında önemli veriler elde edebiliriz. 12.1.4 ELEKTRİKSEL ÖLÇÜMLER Portatif elektrik ölçen metrelerle şu değerler ölçülebilir: Voltaj (volt) Akım(amper) Güç (mono veya üç fazlı) Güç faktörü Alternatif akım dalga şekli ve harmonik dalgalar Voltaj ve akım şiddetini ölçmek için genellikle çok amaçlı tek bir enstrüman yeter. Portatif olmayan uygulamalarda data-logger sistemleriyle direk olarak da bu değerler ölçülebilir. Data loggerlar aslında kayıt yapabilen volt ve amper metrelerdir. Güç ölçümünde dalga şeklinin ne olduğunu bilebilmek önemlidir. Bir çok güç ölçer dalga şeklinin sinüzoidal olduğunu kabul ederek ölçüm yapar. Gerçek dalga şekillerini ölçerek bunların entegrallerini hesaplayan güç ölçüm metreleri mevcuttur. 12.2 ÖLÇÜM METODLARI 223 Ölçüm belli bir fiziksel parametreye belirli bir değeri girmektir. Bu durumda fiziksel parametre ölçülmüş parametreye dönüşür. Ölçüm metotları fiziksel değişkenlerin boyutlandırılması ve değerlerinin ölçülmesi metotlarıdır. Mühendislik ölçümleri sadece bir cihazı açıp rakamları okumaktan ibaret değildir. Bir ölçüm bilgisinin kullanılabilmesi için ölçümlerin iyi bir şekilde tasarlanmış bir plana göre gerçekleştirilmesi gerekir. Bu planın şu basamakları kapsaması gereklidir : 1. Gereken proses değişkenleri ve parametrelerinin tayini 2. Prosesteki ölçüm ve değerlendirme metotları ve nasıl uygulanacağının planlanması 3. Ölçme metotlarının ve bunu bizim prosesimiz için en iyi yapabilecek aletlerin seçimi 4. Ölçüldükten sonra elde edilen ölçüm bilgisinin analizinin planı Gereken proses değişkenlerinin ve parametrelerinin belirlenmesi ve anlaşılması ölçümün ilk önemli basamağıdır. Temel olarak istenen ölçüm değişkenlerinin yanında daha önce düşünmediğimiz fakat kritik olabilecek değişkenlerin ölçümü gereği her zaman olabilir. Eğer ölçülen prosesi tam olarak bilmiyorsak bu değerleri atlamamız her zaman olasılık dahilindedir. Prosesteki tüm değişkenler birbirlerini etkilemeleri de dahil olmak üzere listelenmelidir. Eğer iki değişken birbirini hiç etkilemiyorsa bunlar bağımsız değişkenler olarak düşünülebilir. Eğer bu değişkenin değişimi diğer değişkenleri etkiliyorsa bu bağımlı bir değişkendir. Ölçümde bilhassa bağımlı değişkenleri ölçerken tüm diğer bağımlı olduğu değişkenlerin değerlerini kontrol altında (sabit olarak) tutmak gereklidir. Eğer bu değişkenlerde zaman içinde herhangi bir değişme olmuyorsa tam kontrol sağlandı denilebilir. Eğer değişken değerleri zaman içinde değişiyorsa fakat değişme parametreleri ve fonksiyonları tam olarak tanımlanabiliyorsa sistem değişkenlerinin kısmi kontrolunun olduğu söylenebilir. Bir değişkenin diğer değişkenlerle değişmesini tam olarak verebilen fonksiyonlara kontrol fonksiyonları (parametreleri) adı verilir. Ölçüm işlemlerinde bu parametrelerden direk olarak yararlanılır. Tam olarak veya parametre fonksiyonlarıyla kontrol edilemeyen, fakat sistemin çalışmasında ölçüm parametrelerini etkileyen tüm değişkenlerin ölçülmesi, veya ölçülemeyenlerinde biliniyorsa ne olduklarının kaydedilmesi gerekir. Çünkü bu değişkenler kontrol altında yapıldığını düşündüğümüz ölçümlerde değişik değerler oluşmasına sebep olurlar. Kontrol edilebilen ve edilemeyen parametreleri bir örnekle açıklamaya çalışalım. Bir fanın üflediği havanın hacimsel debisi,Q, fanın dönme hızı, n, ve çapının,d, fonksiyonudur. Fan katsayısı C1=Q/nd3 bu ölçümde sabit olmalıdır. C1 bir kontrol fonksiyonu olarak kullanılabilir. Fakat bu formülde olmayan diğer bazı parametreler de fanın çalışmasını etkileyeceklerdir. Örneğin hava sıcaklığı ve fan giriş elektriğinin voltajındaki değişimler bizim sabit şartlar altında ölçümü yaptığımızı sandığımız şartlarda ölçümleri etkileyeceklerdir Sonuç olarak bu deneyde alacağımız 224 sonuçlar değişebilir ve tekrarlanmasında hatalar oluşabilir. Kontrol edilemeyen parametrelerin etkisi sıfıra indirilemese de bunların etkisi çeşitli metotlarla minimize edilebilir. Bu metotların en önemlilerinden biri ölçümlerin tekrarıdır. Bir ölçüm hiçbir zaman sadece tek bir değer olarak alınmamalıdır. Bilhassa kritik parametrelerde ölçümün en az üç kere alınması ve zaman içinde periyodik olarak ölçüm işleminin tekrarlanması kontrol edilemeyen parametrelerin eliminasyonu ve/veya daha iyi anlaşılması açısından önemlidir. Diğer bir kontrol metodu da değişik ölçüm metotlarının veya aletlerinin aynı parametreyi ölçmek için kullanılmasıdır. Kontrol edilemeyen parametre eğer kullandığımız aletle ilgili ise iki alette değişik değerler elde edeceğimizden bu sonucu değerlendirme ve kontrol edilemeyen parametreyi bulma şansımızı arttırırız. Örneğin bir silindirin hacmini ölçmek istiyorsak, bunu yüksekliğini ve çapını ölçüp hesaplayarak yaptıktan sonra ağırlığını ölçüp silindirin yapıldığı malzemenin özgül ağırlığına bölerek de hesaplayabiliriz. Eğer ölçüm parametrelerinde hata yoksa ikisinin de aynı sonucu vermesi beklenir. Kalibrasyon Ölçüm metotları ve aletleri belirlendikten sonra ölçüme başlanmadan önce ölçüm aletlerini kalibrasyonu yapılmalıdır. Kalibrasyon bilinen bir giriş değerini alete uygulayarak, çıkış değerini saptama prosesidir. Kalibrasyonda kullanılan bilinen giriş değerlerine “Standart” adı verilir. Kalibrasyonun kendisi de bir ölçüm olduğundan bununda detaylı olarak planlanması gereklidir. Bir deney planı ve kontrol edilebilen ve edilemeyen parametrelerin saptanması burada da önem taşır. Çeşitli standart giriş değerlerinin uygulanmasıyla çıkış değerlerinde okunan bulunan değerler saptanır. Ölçülen değişkenin değeri zaman içinde değişmiyorsa sadece statik (zamandan bağımsız) kalibrasyon yeterli olabilir. Yani tek bir ölçüm seti bize bir fikir verebilir. Değişkenler zaman içinde sürekli olarak değişiyorsa zaman boyutunda da kalibrasyon prosesinin yinelenmesi gerekir. Kalibrasyon işleminde kullanılan aletin ölçüm duyarlığı (çıkan sinyalin giren sinyale göre türevi), kullanım bölgesi (hassas ölçüm yapabildiği bölge) ve doğruluğu da (olması gereken değerlerin okunan değerlerle farkı) saptanabilir. Bir alet hassas okuduğu halde doğru okumayabilir veya değer doğru olduğu halde hassasiyeti yeterince yüksek olmayabilir. Eğer kalibrasyon sonuçları elimizdeki aletin bizim istediğimiz ölçümü tam olarak yapamayacağını gösteriyorsa bu alet kullanılmamalıdır. Çünkü ancak kalibrasyon ölçümlerinde hata miktarını tam olarak saptayabiliriz. Gerçek ölçümlerde giriş değerini bilmediğimiz unutulmamalıdır. Standardılar 225 Ölçüm aletleri kalibre edilirken standartlarla karşılaştırılır. Bu standart aleti kullanan kişinin güvenebileceği başka bir alet olabileceği gibi çok iyi tanımlanmış bir fiziksel sabit de olabilir. Tüm bu ölçümler temel olarak fiziksel büyüklüklerin doğru olarak tanımlanmasına dayanır. Fiziksel büyüklükler temel fiziksel büyüklükler ve bunlardan bilinen parametresel denklemlerle türetilmiş büyüklüklerdir. Tüm fiziksel parametrelerin ölçüldüğü temel fiziksel büyüklükler ve SI standartlar sistemindeki tanımları şunlardır: Kütle : kg, Sevre, Fransa’da özel şartlarda tutulan bir irridium-platin çubuğun ağırlığı olarak tanımlanmıştır. Zaman : saniye, radyoaktif sezyum-133 atomunun radyasyon yayınımının 9192631770 periyodu için geçen zaman olarak tanımlanmıştır. Mesafe: metre, ışığın boşlukta 3.335641*10-9 saniyede kat ettiği mesafedir. Sıcaklık : Kelvin, Tablo 20.1 deki sıcaklık standardıyla tanımlanmıştır. Diğer tüm birimler bu temel birimlerden oluşurken önemlilerinden birkaçını örnek verecek olursak : Kuvvet : Newton, kütle*ivme eşitliğinden kg m/s2 olarak tanımlanır. Enerji : Newton*m=Joule=kgm2/s Güç : Joule/s=Watt Ampere: AuN2 eriyiğinin elektrotta 1.118*10-5 kg/s hızında altın biriktirebilmesi için uygulanması gereken akım şiddetidir. Volt : Watt/Ampere Ohm : 1.063m uzunluğunda 0.0144521kg ağırlığında, 273.15 K sıcaklığında cıva kolonunun direncidir. Bu standartlar şüphesiz ki bizim laboratuarlarımızda kullanmamız için pratik değildir. Gidip fransadaki platin-irridyum çubuğun ağırlığını ölçeyim diyemezsiniz. Bu gaye için orijinallerden başlayan ve bize kadar uzanan bir standartlar hiyerarşisi geliştirilmiştir. Bu hiyerarşi içinde her stepte hassaslık seviyeleri düşebilir. Örneğin orijinal sıcaklık kalibrasyonunu termodinamik üçlü noktalarla yaparsak burada hata 0dır. (deneyin doğru şartlarda yapıldığı kabul edilirse), bunu kullanarak platin direnç termometrelerini +/-0.005 C ile kalibre edebiliriz. Bunu kullanarak bizim laboratuarımızda kullandığımız cam termometreyi +/-0.1C hata miktarlarında kalibre edebiliriz. 12.3 ÖLÇÜMLERDE KULLANILAN İSTATİSTİKSEL YÖNTEMLER Yapılan ölçümlerin hassas olarak yapılması mühendislik açısından çok önemlidir. Fakat mühendislerin hiçbir zaman unutmaması gereken gerçek hiçbir zaman mükemmel ölçümlerin yapılamayacağıdır. Yapılan ölçümlerin sayısı birden fazla ise ne kadar hata oluştuğu istatistiksel olarak incelenebilir. 226 İstatistikte örnek ölçüm, aynı sabit şartlar altında bir değişkenin yapılan ölçümlerinin toplamıdır. Mühendislik ölçümlerinde şüphesiz “sabit şartlar altında” deyiminin tam anlamıyla mevcut olması mümkün değildir, sadece sabit şartlara yaklaşıldığı kabul edilebilir. Eğer bir ölçümdeki doğru ölçüm değeri x’ ise sonlu sayıda ölçüm sonucunda x’ değeri x’ = xortalama +/- ux(P%) (denklem12.3.1) formülüyle tahmin edilebilir. Buradaki xortalama verilen ölçümlerde olasılığı en yüksek olan nokta(ortalama değer), ux hassaslık veya hata miktarını (P% olasılıkla) verir. İstatistik ortalama değeri ve bunun güvenilirlik miktarını araştırır. Elimizde bir ölçüm seti bulunduğunda, önce bu seti guruplara ayırırız. Gruplamada dikkat edilecek nokta en fazla verinin bulunduğu büyük ihtimalle ortaya düşen veri gurubunda en az 5 veri noktasının bulunmasıdır. Veri sayısı büyükse toplam gurup sayısını K=1.87(N-1)0.40+1 (denklem12.3.2) denklemiyle saptayabiliriz. Bu denklemde N toplam veri sayısıdır. Daha sonra ölçüm serisindeki en küçük ve en büyük sayıları bulup buların farkını gurup sayısına bölerek belirliyebiliriz. Bunu belirledikten sonra her bir veri bölgesinin hangi olasılıkla yinelendiğini görebiliriz. Bunu bir örnekle açıklayalım. Yapılan 20 ölçümde aşağıdaki değerlerin elde edildiğini varsayalım : İ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 xi 0.98 1.07 0.86 1.16 0.96 0.68 1.34 1.04 1.21 0.86 İ 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 xi 1.02 1.26 1.08 1.02 0.94 1.11 0.99 0.78 1.06 0.96 Burada toplam veri sayısı N=20 dir. Toplam gurup sayısı : N=1.87(10-1)0.4-1 = 7 dir Verideki en küçük rakam 0.68 en büyük rakam 1.34 olduğundan 227 (1.34-0.68)/7=0.09428 veri aralığı 0.1 olarak alınır. Bu durumda verinin dağılımı j Veri bölgesi Bölgedeki veri sayısı 1 2 3 4 5 6 7 0.65<=xi<0.75 0.75<=xi<0.85 0.85<=xi<0.95 0.95<=xi<0.105 0.105<=xi<0.115 0.115<=xi<0.125 0.125<=xi<0.135 1 1 3 7 4 2 2 Veri sayısı yüzdesi fi 0.05 0.05 0.15 0.35 0.20 0.10 0.10 En kalabalık bölgedeki dağılımda 5 den fazla veri olduğundan bu dağılım kabul edilebilir. Bu veriye bakarak %5 olasılıkla ölçüm 0.65<=xi<0.75 aralığına düşecek diyebiliriz. Tüm aralıktaki değerlerin hepsini toplarsak %100 e ulaşırız. Genelde bu tür veri dağılımlarını değerlendirirken varyans veya standart sapma kavramı kullanılır. Varyans, σ2, 1 N →∝ N σ 2 = lim N ∑ ( xi − x ′) 2 (denklem12.3.3) i =1 Daha sık kullanılan standart sapma, σ, ise varyansın kare köküdür. Yukarıdaki örnekte verilen tür istatistiksel dağılım genelde normal dağılım adını alır ve bu dağılımın genel formülü p(x) = 1/[σ(2π)1/2]exp[-1/2*(x-xortalama)2/σ2] (denklem12.3.4) ile hesaplanır. Bu denklemin -altında kalan alan bize o bölgedeki verilerin toplam verilerin %si olarak ne kadarını oluşturacağını (hata miktarı olasılığını) verir. x ' + dx P ( x'− dx ≤ x ≤ x'+ dx) = ∫ p( x)dx denklem(12.3.5) x ' − dx Bu fonksiyonda dx değeri σ’ya eşit olduğunda P(x’-σ <= x <= x’+ σ )değeri 68.27% olur. 2σ’ya eşit olduğunda P(x’-2σ <= x <= x’+ 2σ )değeri 95.45% olur. Ve 3σ’ya eşit olduğunda P(x’-3σ <= x <= x’+ 3σ )değeri 99.73% olur. Bu yüzden istatistiki 228 veri dağılım bölgesinin hemen hemen hepsini kapsamış demektir. 3 σ değerinin dışına çıkan verilerin bir anlamı yoktur ihmal edilmesi veya atılması gerekir. Bu tür verilerin bir ölçüm hatasından kaynaklandığına emin olabilirsiniz. Veri uydurma Ölçümdeki veriler ortalama verilerden sapacağından, ortalama veri değerlerinin ve eğrisinin bulunmasında regresyon analizi kullanılır. Bu analizlerin en basiti n inci dereceden bir polinoma veri uydurma metodu olan en küçük kareler yöntemidir. Burada eğri uydurma metotlarının detayına girmiyecegiz. Bunun yerine en çok kullanılan metotların bir kısmının fortran ve java dillerinde yazılmış kodlarını vermekle yetineceğiz. İsteyenler bu kodların kopyelerini http://www.mam.gov.tr/~turhan/NumericalAnalysis/NumericalAnalysis.htm Adresinden alabilirler. 20.4 REFERANSLAR 1. Komite Raporu “The International Temperature Scale of 1990”, Metrologia 27(3), 1990, National Bureo of Standarts monograph 124 2. “Theory and Design for Mechanical Measurements”, R.S. Figliola, D.E. Beasly, John Willey & Sons, 1991 3. “Principle of Measurement Systems”, John P. Bently, Longman Scientific & Technical, 1988, ISBN 0-582-30543-8 4. “Measurements and Control Basics”, Thomas A. Hughes, Instrument Society of America, Resources for Measurement and Control Series, 1988, ISBN 1-55617097-1 5. “Measurement and Instrumentation in Engineering”, F. S. Tse, I. E. Morse, Marcel Dekker, Inc.,1989, ISBN 0-8247-8086-8 6. “Flow Measurement for Engineers and Scientists”, N. P. Cheremisinoff, P.N. Cheremisinoff, Marcel Dekker Inc., 1987, ISBN 0-8247-7931-6 229 14. FAN VE POMPALARDA ENERJİ TASARRUFU 14.1. Giriş Endüstride kullanılan birçok fan (ve pompa) sistemlerinde, çalışma şartlarının değişimine bağlı olarak akışkan debisinin ayarlanması gerekmektedir. Diğer yandan, kullanılan fanların çoğu emniyet açısından gereğinden büyük kapasitede seçilmektedir. Bunun sonucu olarak, fanlar genellikle tasarlanan debilerin altında çalışmakta (düşük verim ile) ve bu nedenle enerji kaybı söz konusu olmaktadır. Debi kontrolü için değişik yöntemler mevcut olup; bunlar aşağıda verilmiştir. Giriş ve çıkış damperleri (klepe, vana gibi) Devir kontrolü Kayıs-kasnak sistemi Frekans konvertörü Değişken giriş kanatları Değişken eğimli fan kanatçıkları Debi kontrol sistemi seçilirken, debinin işletme şartları gereği zamanla değişip değişmediğinin bilinmesi son derece önemlidir. Debi ayarlamasında, yaygın olarak klepe veya vana kontrollü sistemler, kayış-kasnak mekanizmaları ve frekans konvertörlü sistemler kullanılmaktadır. Klepe veya vana ile yapılan debi ayarı, fan karakteristik eğrilerinde de görüleceği üzere, sistem basıncının artmasına bağlı olarak debinin azalması esasına dayanmaktadır. Bu uygulama ile fan, daha düşük verim ile çalışmaya itilmektedir. Akışı engelleyerek debiyi kontrol eden bu tür yöntemler, sürtünme nedeniyle önemli miktarda enerji kaybına sebep olurlar. Kayış-kasnak mekanizmalı ve frekans konvertörlü sistemler, fan devrini değiştirerek enerji tasarrufunu mümkün kılmaktadır. Ancak, bu tür kontrol sistemleri fan karakteristiğini değiştirmektedir. Dolayısıyla, akışın uygun şekilde sağlanabilmesi açısından (gerekli debi ve basınç kaybı) fan ve sistem ile ilgili bazı verilerin biliniyor olması gerekmektedir. Değişken giriş kanatları ile değişken eğimli fan kanatçıkları temelde aynı prensibe dayalıdır. Bu tür kontrollerde kanatçıkların değiştirilmesi ile akışkanın kazanacağı enerji miktarı azaltılır. Böylece fanın harcayacağı enerji miktarı azalırken debisi de azalmış olur. Bu tür sistemlerin kullanımı oldukça azdır. 230 14.2. Temel Kavramlar 14.2.1. Tanımlar İçerisinde akış olan bir kanalda Şekil 1’de gösterildiği gibi, manometrenin yerleştiriliş şekline göre üç değişik basınç okunabilir. Statik basınç: Her doğrultuda etkiyen basınç bileşenidir. Manometre tübünü kanala dik bağlayarak okunur. Statik basınç, sistemden kaynaklanan direnci yenen basınçtır. Dinamik basınç: Kanal içerisinde akışın yaratmış olduğu ve statik basıncın üzerindeki basınçtır. Akışkanın giriş ve çıkış hızına ve yoğunluğuna bağlı olarak aşağıdaki eşitlik ile tariflenir. ΔPd = ρ Vç2 − Vg2 2 Toplam basınç: Ölçülen statik ve dinamik basınçların toplamıdır. Fanlar veya pompalar, eksenel ve merkezkaç olmak üzere genel olarak ikiye ayrılır. Şekil 2 ve 3’de görüleceği üzere, akışkan çarkın ekseni doğrultusunda akıyorsa “Eksenel”, yarıçapı doğrultusunda akıyorsa “Merkezkaç (Radyal)”vantilatör olarak adlandırılır. 14.2.2. Fan Karakteristikleri Fan seçiminde, belirli değerde bir akışkan basıncının sağlanması ve bu basınca bağlı olarak belirli bir değerde akışkan debisinin elde edilmesi esastır. Fanın sahip olduğu performansı bu iki değer yani basınç ve debi belirler. Söz konusu edilen basınç-debi ilişkisi “Fan Karakteristiği” olarak tanımlanır. Tipik bir fan karakteristik eğrisi Şekil 4’de verilmiştir. 231 Şekil 1. Basınç ölçümü Şekil 2. Merkezkaç vantilatör Şekil 3. Eksenel vantilatör 232 ΔPkayıp Basinç 0.0 0.5 Debi 1.0 1.5 Şekil 4. Fan karakteristiği ve giriş klepe kontrollu akış için basınç-debi ilişkisi Debi, basınç, güç ve verim arasındaki ilişkiler aşağıda verilen semboller ile belirlenebilmektedir. Q Ps Pd Pt ΔP N η :Akışkan debisi, m3/h :Statik basınç, mmSS :Dinamik basınç, mmSS :Toplam basınç, mmSS :Basınç farkı, mmSS :Fan tarafından tüketilen güç, kW :Fan verimi, Pt=Ps+Pd ΔP=(Pt)çıkış-(Pt)giriş ΔP=(Ps+Pd)çıkış-(Ps+Pd)giriş 233 Q( m 3 / h) = A ( m 2 ) V( m / s) 3600 ΔP( mmSS) x Q( Nm 3 / h) N mil ( kW) = 3600 x 102 x η UYGULAMA: 30,000 Nm3/h debili bir fanın çıkış ağzında ölçülen statik basınç 80 mmSS, dinamik basınç 15 mmSS’dur. Fanın emişinde ise ölçülen statik basınç -100 mmSS, dinamik basınç 12 mmSS’dur. Fan verimi %80 olduğuna göre fan motorunun mil gücü: Çıkış, mmSS Ps 80 Pd 15 Pt 95 Giriş, mmSS Ps -100 Pd 12 Pt -88 183( mmSS) x 30000( Nm 3 / h) N mil ( kW) = = 18.7 kW 3600 x 102 x 0.80 14.2.3. Fan Kanunları Fanlar, genellikle boyutlarına ve hız değerlerine göre çeşitli seriler halinde imal edilirler. ¾ Devir sayısına bağlı olarak Debinin, Basıncın ve Güçün değişimi: N2=N1 (n2/n1)3 ρ ve D=sbt. Q2=Q1 (n2/n1) ΔP2=ΔP1 (n2/n1)2 ¾ Rotor çapına bağlı olarak Debinin, Basıncın ve Güçün değişimi: N2=N1 (D2/D1)5 n ve ρ=sbt. Q2=Q1 (D2/D1)3 ΔP2=ΔP1 (D2/D1)2 ¾ Yoğunluk değişimine bağlı olarak Basıncın ve Güçün değişimi: n, D ve Q=sbt. ΔP2=ΔP1 (ρ2/ρ1) N2=N1 (ρ2/ρ1) Bu eşitliklere göre; Akış devir sayısı ile orantılıdır, Basınç devir sayısının karesi ile değişir, 234 Güç devir sayısının kübüyle değişir. Teorik olarak, devir sayısının %80'e indirilmesi durumunda debi %80, basınç %64 (=0.8x0.8) ve güç % 51.2 (=0.8x0.8x0.8) değerine düşmektedir. UYGULAMA: Proseste kullanılan 15000 kg/h debideki kurutma havası, bir ısı değiştiricisi yardımı ile ortam sıcaklığından (20 °C) 150 °C’a kadar ısıtılması gerekmektedir. Sistemde normal şartlarda karşılanması gereken basınç düşümü 250 mmSS olduğuna göre, ısıtıcının fan öncesi veya sonrasına konması durumunun gerekli fan motor güçleri açısından karşılaştırılması: Hatırlatma: ρ=ρ0T0/T (Yoğunluğun sıcaklık ile düzeltilmesi) Isıtıcı fan sonrası Isıtıcı fan öncesi 20 Kütlesel Debi T, °C T, °C 1.2 15000 kg/h ρ, kg/m3 ρ, kg/m3 3 Debi, m /h 12480 Debi, m3/h 250 ΔP, mmSS ΔP, mmSS Nmil, kW Nmil, kW 10.6 Sonuç: Isıtma işlemi fan öncesinde yapılması halinde, gerekli fan motorunun gücü 10.6 kW’tan 22.1 kW’a çıkmaktadır. 150 0.83 18017 360.9 22.1 14.2.4. Sistem karakteristiği Bir fan sistemi normal olarak kanallar, damper, filtre v.b. elemanlardan oluşur. Böyle bir sistemde akışa bağlı olarak herzaman bir basınç düşümü söz konusudur. Sistemdeki toplam basınç düşümü, kanal boyutuna, dirsek, vana, damper, filtre v.b. elemanların tasarım özellikleri ile birlikte özellikle akışkan hızının karesi ile orantılı olarak değişir. Gerekli basınca bağlı olarak sistemin işletme noktası, fan karakteristik eğrisi ile belirlenebilir. Belli bir sistem için debi değiştikçe sistem basıncı bu eğri üzerinde kalır (Şekil 5). 14.3. Fan Seçimi Fan seçimi yapılmadan önce bazı temel bilgilere sahip gerekmektedir.Bunlar; Gerek duyulan akışkan debisi Çalışma esnasında fan tarafından yenilmesi gereken basınç düşümü, Akışkanın yoğunluğu 235 olunması Kabul edilebilen gürültü derecesi (fan nominal verim değerinden saptıkça enerji tüketimi ve gürültü artar) Yer ve kanal bağlantı durumu, İlk maliyet, işletme maliyeti v.b. İşletme şartlarına bağlı olarak fan sayısı ve bunların seri veya paralel bağlanma olasılıkları -Seçilecek fan maksimum verim bölgesinde çalışacak şekilde olmalıdır. -Hangi tip ve hangi büyüklük sorularına cevap aranmalıdır. -İşletme şartlarına bağlı olarak fan sayısı ve bunların seri veya paralel bağlanma olasılıkları araştırılmalıdır. n1 Basinç n2 n3 Debi Şekil 5. Fanlarda devir sayısına bağlı basınç-debi ilişkisi 14.4. Akış Kontrol Sistemleri ve Enerji Ekonomisi Prosesin gerektirdiği şartlara uygun olarak fanın sağladığı akışkan debisinin zamanla değişmesi söz konusu olabilmektedir. Bir bütün olarak sistemin maksimum verimde çalışmasını mümkün kılacak akış kontrol sisteminin doğru seçilmesi, özellikle enerji tasarrufu açısından büyük önem taşımaktadır. Sistem seçiminde maliyet, fan tipi, fan karakteristikleri ve sistemin yıllık çalışma yükü gibi parametreler dikkate alınmalıdır. 236 Klepe (giriş-çıkış damperli) kontrollü: Bu kontrol yöntemi sistemdeki debi miktarını düşürmek için kullanılır. Klepe kısıldığında çalışma noktası, karakteristik eğri üzerinde kalmak kaydıyla sola doğru kayar. Bu durumda debi değeri düşerken, fanın karşılaması gereken basınç değeri gereksiz olarak artmaktadır. Dolayısı ile fanın sisteme verdiği enerji ile sistemin gerektirdiği enerji arasında büyük bir fark oluşur. Bu fark basıncı için gerekli enerji tamamen boşa harcanan enerjidir. Şekil 6’da basınç ve giriş gücünün debi ile değişimleri - debi kontrolünün üç değişik sistem (A :çıkış damperli, B :giriş damperli ve C :frekans konvertörlü) ile yapıldığı durumlar - için karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Giriş damperli uygulamada gaz girişi fandan önce kısılarak debi ayarı yapılır. Bu tip uygulamada statik basınç düşer. Klapenin değişik durumları için Şekil 6 (B)’de verilen eğriler elde edilir. Fan hızının sabit olduğu A, B ve C çalışma noktalarında basınç farkı debi ile azalmakla birlikte giriş gücünü belirleyen dinamik basınç sabit kalmaktadır. Dolayısı ile giriş gücü debiye bağlı olarak, çıkış damperine oranla daha fazla azalacaktır. Hız kontrollü: Devir hızının değiştirilmesi fan ve pompaların performansını değiştirmede en uygun yol olduğu bilinmektedir. Hız değişimi için kayış-kasnak mekanizmalı veya değişken devir kontrollu (frekans konvertörlü elektrik sistemleri veya mekanik kavramalı sistemler) sistemler kullanmak münkündür. Kayış-kasnak sistemi, özellikle debinin sabit veya işletme şartlarına bağlı değişiminin az olduğu durumlar için tercih edilebilir. Frekans konvertörlü (FC) debi ayarı ise, debinin sıkça değiştiği durumlar ve otomasyon için daha elverişlidir. Ancak, son yıllarda elektronik cihazların hızlı gelişimi ve fiyatların giderek azalması sonucu frekans konvertörlü sistemler yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Hız kontrol sistemlerinin karşılaştırılması: İki farklı türde değişken hız kontrolu mümkündür. Bunlar; Frekans konvertörlü tahrik sistemleri ve Elektro-mekanik/hidrolik kavramalı sistemlerdir. Bu iki sistem arasındaki fark özellikle fanın çalıştığı hız aralığına bağlıdır. İkinci halin geniş hız aralığı ile kullanılması durumunda, enerji kaybı daha büyük olmaktadır. Çünkü bu sistem sürtünme esasına dayanmaktadır. Şekil 6 (C)’de verilen frekans konvertörlü hız kontrolü durumu incelendiğinde, dinamik basıncın çalışma noktasına göre değiştiği görülür. Debiye bağlı olarak 237 dinamik basınç önemli oranda azalacağından, giriş gücünde önemli miktarda düşme ve dolayısıyla enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Teorik olarak hız kontrolünün enerji tasarrufu açısından önemini vurgulamak için fan kanunlarının bir kez daha gözden geçirilmesinde yarar vardır. Bilindiği gibi, tasarlanan tesisatın her zaman tam yükte çalışması beklenmez. Örneğin, aşağıda verilen eşitliklerde de görüleceği gibi, debinin yarıya inmesi durumunda basınç kaybı tam yükteki kaybın 1/4’üne ve sisteme verilmesi gereken enerji ise 1/8’e düşmektedir. Q1 n1 = Q2 n2 ΔP1 ⎛ n1 ⎞ =⎜ ⎟ ΔP2 ⎝ n 2 ⎠ 2 Buna göre N = Q1 ΔP1 2 4 Teorik olarak elde edilebilecek enerji tasarrufu ortadadır. Ancak, sisteme verilmesi gereken enerji ile fanı çalıştırmak için gerekli enerji farklı şeylerdir. Şekil 7’de bir fan sisteminde akışın çıkış klepesi ve frekans konvertörü ile kontrol edilmesi durumunda sağlanacak enerji tasarrufu karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Örnek olarak, debide %20'lik bir azalma olması halinde güçteki azalma klepe kontrolü ile %5 olur iken, frekans konvertörü ile kontrolde bu azalma %38.5 olmaktadır. Aradaki fark kadar, yani %33.5 oranında bir tasarruf mümkün olmaktadır. Hız ayarlaması ile ne kadar enerji tasarrufu sağlandığını bulabilmek için ilk önce tesisatın yük dağılımını bilmek gerekir. Bu da her bir sistem için farklılıklar arz eder. Uygulamadan bir örnek olması amacıyla aşağıda verilen hesaplamalar fanların kapasiteleri ile işletme şartları, fan etiketleri (nominal değerler) ve ölçüm değerlerine göre belirlenmiştir. 238 A B C Şekil 6. Basınç ve giriş gücünün debi ile değişimi (A :çıkış damperli, B :giriş damperli ve C :frekans konvertörlü uygulamalar için). Tablo 1’de verilen değerler debi, basınç ve güç açısından incelendiğinde fanlarda önemli oranda enerji tasarrufu potansiyelinin var olduğu görülmektedir. Tablo 2'de ise debi ile gücün nominal ve fiili değerleri verilerek, tasarruf potansiyelleri ortaya konmuştur. Buna göre, mevcut fanların çoğunluğu düşük debi değerlerinde çalışmakta olup, %30 mertebelerine kadar düşmektedir. 239 100 90 Klepe kontrollü Frekans kontrollü 80 70 % Güç 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 % Akış 60 70 80 90 100 Şekil 7. Klepe ve frekans kontrollü fan sistemlerinde debi ve güç ilişkisi Tablo 2'de ayrıca, akışın klepe ayarlı kontrol edilmesi yerine frekans konvertörü ile (FC) devir ayarlı olarak kontrolü durumunda yapılabilecek tasarruf miktarları fan gücü oranı (%) ve buna bağlı olarak kW, kWh/yıl ve US$/yıl cinsinden verilmiştir. Tablo 1. Fan kapasiteleri ve işletme şartları Soğutma V0 Fanı Soğutma V1 Fanı Soğutma V2 Fanı Soğutma V3 Fanı Soğutma EF Fanı Nominal Ölçüm Nominal Ölçüm Nominal Ölçüm Nominal Ölçüm Nominal Ölçüm Basınç, mmSS 1086 836 520 347 350 231 200 146 250 34 Debi, Aktif Gerilim, Nm3/h Güç, kW V 30000 132 380 17690 75 395 31200 75 380 29800 51 394 53000 75 380 22510 38 395 45000 37 380 14333 21 395 192000 205 380 69000 160 395 240 Cosϕ Klepe % 0.88 0.81 40 0.88 0.83 75 0.86 0.71 35 0.88 0.77 12 0.86 0.76 17 Tablo 2. Akışın klepe yerine devir ayar kontrollü olması durumunda enerji tasarrufu potansiyeli Soğutma V0 Nominal Fanı Ölçüm Soğutma V1 Nominal Fanı Ölçüm Soğutma V2 Nominal Fanı Ölçüm Soğutma V3 Nominal Fanı Ölçüm Soğutma EF Nominal Vant. Ölçüm Debi Nm3/h 30000 17690 31200 29800 53000 22510 45000 14333 192000 69000 % Akış 59 96 42 32 36 Aktif Güç, kW 132 75 75 51 75 38 37 21 205 160 % Güç Klepe % Güç VFC* % Fark Tasarruf Tasarruf kW Tasarruf kWh/yıl Tasarruf US$/Yıl 82 35 46.7 61.7 488649 34205 95 88 7.7 5.8 45633 3194 67 23 43.7 32.7 259303 18151 Fiyat US$/Adet 12000 8500 8500 6500 54 19 35.6 13.2 104265 7299 16000 59 20 241 39.2 80.4 636879 44582 Bir diğer uygulamalı örnek olarak, bir fan motorunun (45 kW nominal güçte) işletme şartlarında çektiği gücün, debi ile değişimi (debideki değişim çıkış klepesi veya FC ile sağlanmıştır) ile ilgili sonuçlar Tablo 3’de verilmiştir. Tablo 3. Frekans konvertörlerinin geri ödeme süreleri (GÖS) Klepe açıklığı,% Frekans Kontrollu 40 50 60 Debi, m3/h 24000 30000 36000 24000 30000 36000 Güç, kW 39,5 33,7 36,5 6,0 7,7 11,5 14.5. Fanlarda Enerji Tasarrufunun Ekonomik Analizi Fanlara frekans konvertörü takılarak yapılacak enerji tasarrufunun ekonomikliğinin incelenmesi için: İlk adım olarak sistemin yük dağılımı belirlenmesi (Debinin çalışma süresi içersindeki yüzde dağılımı gibi.), Debideki yüzde değişime bağlı olarak güçteki değişimin mukayeseli olarak belirlenmesi (Şekil 7) Ağırlıklı güç dağılımının belirlenmesi, Tam hızdaki (veya mevcut şartlardaki) güç değerinin tespiti, Ağırlıklı güç tasarrufunun tespiti, Yıllık çalışma süresine göre tasarruf edilecek enerjinin parasal değerinin belirlenmesi Frekans konvertörünün fiyatı ve işletme maliyeti tespit edilmelidir. Kullanılan veriler (ilk yatırım tutarı, yıllık enerji tasarrufunun parasal değeri) Tablo 4'de verilmiştir. Bu tabloda herbir fan için "Geri Ödeme Süresi Yöntemi" ile elde edilen değerlere göre, yatırımların çoğunun GÖS'leri bir yıldan az olmakla birlikte bazılarının çok uzun olabilmektedir. Dolayısı ile frekans konvertörünü fan sistemine takılmasına karar vermeden önce bu hesaplamaların yapılması gerekmektedir. Ayrıca Net Bugünkü Değer (NBD) yöntemi için örnek bir hesaplama Tablo 5'de verilmiştir. Bu hesaplamalarda yıllık faiz oranı US$'ı bazında %8, yıllık işletme ve bakım giderlerinin ise ilk yatırımın %5'i kadar olacağı varsayılmıştır. Bu yöntemde, yatırımlar incelenirken net bugünkü değer toplamına bakılmaktadır. Yatırımın kara geçtiği süre ve hizmet süresi içindeki getirisi, yatırımın yapılmasında göz önünde bulundurulması gereken önemli birer kriterdir. 242 Tablo 4. Frekans konvertörlerinin geri ödeme süreleri (GÖS) Vantilatör veya Tasarruf Tasarruf FC Fiyatı Fan Adı kWh/yıl US$/Yıl US$/Adet Soğutma V0 Fanı 488649 34205 12000 Soğutma V1 Fanı 45633 3194 8500 Soğutma V2 Fanı 259303 18151 8500 Soğutma V3 Fanı 104265 7299 6500 Soğutma EF Fanı 636879 44582 16000 GÖS (Ay) 4.2 31.9 5.6 10.7 4.3 Tablo 5. NBD yöntemi ile V0 fanı için frekans konvertörünün ekonomik analizi 0 1 2 3 4 5 Yıllar İlkYatırım -12000 Enerji Tasarrufu 34205 34205 34205 34205 34205 İşletme ve Bakım -600 -600 -600 -600 -600 Net Para Akışı -12000 33605 33605 33605 33605 33605 İskonto Faktörü 1 0.9259 0.8573 0.7938 0.7350 0.6806 Para Akışının NBD -12000 31116 28811 26677 24701 22871 NBD -12000 31116 59927 86604 111305 134177 NBD Toplamı -12000 19116 47927 74604 99305 122177 Geri Ödeme Süresi: 4.29 Ay 14.6. Pompalar 14.6.1. Genel Genel olarak pompalar, çalışma prensibi ve enerji tasarrufu yönünden fanlar ile oldukça benzer özelliklere sahip olup, fanlar için sözü edilen birçok ifade burada da geçerlidir. Pompalar, çok değişik alanda kullanılmaktadır. Başlıca çeşitleri: eksenel, merkezkaç ve hacimsel pompalardır. Pistonlu, dişli, vidalı pompalar hacimsel pompalar grubuna girmektedir. Bir pompanın güç çıkışı onun performansının bir göstergesi olarak kullanılır ve aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir. 243 H Q D 10 5 P= 3.67 Burada, H :Toplam basma yüksekliği, m Q :Debi, m3/h ρ :Sıvı yoğunluğu, kg/m3 P :Güç, kW 14.6.2. Pompalarda Enerji Verimliliği Pompalarda enerjinin etkin kullanılması tesisat tasarımında ve işletme anında olmak üzere iki şekilde düşünülebilir. Tesisat tasarımında Pompa ve motor seçimi doğru yapılmalı, Boru boyutlandırılması işletme ve ilk yatırım maliyetleri göz önünde bulundurularak yapılmalı, Pompalar değişken yükte çalışıyor ise tek bir pompa yerine paralel ve seri pompa uygulamaları dikkate alınmalı, İşletme anında Vana, boru hattı ve pompalarda oluşabilecek tıkanmalar giderilmeli, Boru devresi sızdırmazlığı giderilmeli, Kayış, kasnak ve yatakların bakımı yapılmalı, Filtrelerin bakımı düzenli yapılmalı, Isıyma devrelerinde ısı yalıtımı yapılmalı, Titreşim önlenmeli, Mevcut pompalarda frekans kontrolü uygulaması incelenmeli, Değişik büyüklük ve kapasiteli pompaları bünyesinde bulunduran sistemlerde değişen işletme şartlara uyum sağlamak için çeşitli kombinasyonlar düşünülebilir. Bunlar ile ilgili iki örnek Şekil 8 ve 9’da verilmiştir. 244 Şekil 8. Tek pompanın frekan konvertörlü olarak çalışması Şekil 9. Tüm pompaların frekan konvertörlü olarak çalışması 245 Pompa uygulamaları için bir örnek: Sabit devirli bir pompa ve vana kısılması yöntemi ile orantılı basınç modunda çalışan frekans kontrollü bir pompa arasındaki ekonomik kıyaslamayı gösteren değerler Tablo 6’da verilmiştir. Verilen bu örnekte, enerji tasarrufu %52 civarındadır. Tablo 6. FC’nün pompa uygulaması için örnek sonuçlar Çalışma süresi TOPLAM 120 1080 2400 2400 840 6840 Debi, m3/h 50 35 25 15 8 Sabit devirli N, kW 1.57 1.45 1.32 1.13 1.02 W, kWh 188 1566 3168 2712 857 8491 FC Orantılı basınç N, kW W, kWh 1.57 188 1.00 1080 0.64 1536 0.43 1032 0.34 286 4122 Sonuç Frekans kontrolü enerji kayıplarını azaltan en ucuz çözüm olmaktadır. Bunun yanında Frekans konvertörlü sistemlerin komplekstir. Çünkü üzerinde; -Motor -Motor koruması -Frekans değiştirici -Basınç sensörü -Kapalı döngü kontrolü -Gerektiğinde harmonik filtre ünütesi vardır. Ancak bu tür sistemler herhangi bir kontrol panosu gerektirmez ve çalışmaya hazırdır. 246 14.7. Kaynaklar 1. Uğural, G.,Parmaksızoğlu, C., Vantilatör ve Sistemleri, Temas Yayınları 6, 1992. 2. ABB Frekan Kontrolü ve Enerji Tasarrufu Dokümanları. 3. ENKOLtd.Şti Yayınları, AC Motor Hız Kontrol Sistemlerinin Akışkan Kontrolunda Uygulanması. 4. Wagenkecht, J., Frekans Kontrollü Pompalara Ekonomik Bir Bakış, III. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi Bildiri Kitapçığı, Cilt 2 s. 883, Kasım 1997. 5. Akkoç, H. ve Gürbüz, N., Vantilatör Seçiminde Etkili olan Faktörler Uygulamada Yapılan Yanlışlıklar ve Bunların Önlenmesi, III. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi Bildiri Kitapçığı, Cilt 2 s. 933, Kasım 1997. 6. EİEİ yayınları, Sanayide Enerji Yönetimi Esasları, Cilt III, Ocak 1997. 247 7. KAZANLARDA ENERJİ TASARRUFU Proseste buhar kullanılan bir endüstriyel tesiste en önemli temel girdilerden biri yakıttır. Dolayısıyla buhar üretimi ve kullanımında verimin arttırılması ile büyük ölçüde yakıt tasarrufu ve işletme gideri tasarrufu mümkündür. Bu bölümde sadece kazan dairesi üzerinde durulacak, proseste buhar tüketiminin azaltılması üzerinde durulmayacaktır. Buhar kazanlarına giren yakıt enerjisi yakıt miktarı ile yakıt asıl değerinin çarpımı, Qy = B.Hu Olup, eğer %100 kabul edilirse, aşağıdaki gibi dağılır: Zb: Bacadan atılan ısı oranı Ze: Eksik yanma kaybı oranı Zr: Sıcak cidarlardan kaçan ısı oranı Zbl: Blöfle dışarı atılan ısı oranı Buna göre yakıt ısısının buhara aktarabilen oranı (kazan ısıl verimini oluşturur): η k = 1 − (Z b + Z e + Z r + Z bl ) şeklinde ifade edilir. Buharın bu enerjisi ise, Zi : Boru tesisatında dış yüzeylerden kaybolan ısı oranı Zsk : buhar kaçakları ile oluşan kayıp oranı ηs : proseste kullanılan ısı oranı Zk : kondensle dışarı atılan ısı oranı Buna göre sistemin net verimi prosese aktarılan ısı oranıdır. Enerji kullanımı açısından esas önemli olan bu verimin yüksek olmasıdır. Bu bölüşüm aşağıda şematik olarak gösterilmiştir.: Proseste buhar kullanılan bir endüstriyel tesiste en önemli temel girdilerden biri yakıttır. Dolayısıyla buhar üretimi ve kullanımında verimin arttırılması ile büyük ölçüde yakıt tasarrufu ve işletme gideri tasarrufu mümkündür. Bu bölümde sadece kazan dairesi üzerinde durulacak, proseste buhar tüketiminin azaltılması üzerinde durulmayacaktır. 248 Buhar kazanlarına giren yakıt enerjisi yakıt miktarı ile yakıt asıl değerinin çarpımı, Qy = B.Hu Olup, eğer %100 kabul edilirse, aşağıdaki gibi dağılır: Zb: Bacadan atılan ısı oranı Ze: Eksik yanma kaybı oranı Zr: Sıcak cidarlardan kaçan ısı oranı Zbl: Blöfle dışarı atılan ısı oranı Buna göre yakıt ısısının buhara aktarabilen oranı (kazan ısıl verimini oluşturur): η k = 1 − (Z b + Z e + Z r + Z bl ) şeklinde ifade edilir. Buharın bu enerjisi ise, Zi : Boru tesisatında dış yüzeylerden kaybolan ısı oranı Zsk : buhar kaçakları ile oluşan kayıp oranı ηs : proseste kullanılan ısı oranı Zk : kondensle dışarı atılan ısı oranı Buna göre sistemin net verimi prosese aktarılan ısı oranıdır. Enerji kullanımı açısından esas önemli olan bu verimin yüksek olmasıdır. Bu bölüşüm aşağıda şematik olarak gösterilmiştir.: Z b Ze Z r Zbl Zi+Zbk Zk BHu =0/0100 249 2.KAZAN VERİMİ Kazan ısıl verimleri TS 4041’e göre belirlenebilir. Bu amaçla direkt yöntem ve dolaylı yöntem olarak iki yöntem mevcuttur. Direkt yöntem ile ölçüm çoğu zaman yetersiz enstrümantasyon nedeniyle mevcut sistemlerde mümkün olamamaktadır. Bu yöntemde: - Besi suyu ve buhar miktarları, Besi suyu ve ana buharın (ara ısıtma varsa ara ısıtmadan geçen buharın) sıcaklık ve basınçları, Yakıt besleme miktarı, Yakıt alt ısıl değeri ölçülmelidir. Ölçülen bu değerler yardımı ile kazan verimi formülünden hesaplanır. Burada, mb = ölçülen buhar debisi ms = ölçülen su debisi İb = buhar antalpisi (doymuş buhar halinde manometrede ölçülen buhar basıncı ve buharın kuruluk derecesi yardımı ile buhar tablolarından okunur. is = besi suyu antalpisi (besi suyunun sıcaklığına bağlıdır.) B = Ölçülen yakıt debisi η= mb .ib − m s .i s B.H u Hu = yakıtın alt ısıl değeri Burada esas olarak dolaylı yöntem üzerinde durulacaktır. Dolaylı yöntemde ısıl verim, η = 1− ∑ Z ifadesi ile belirlenir. Burada Z (% olarak) çeşitli ısıl kayıplardır. Bu yöntemde: - Baca gazı analizi, baca gazında toz ölçümü yapılır ve sıcaklığı ölçülür. - Yakma havası sıcaklığı ölçülür. 250 - Kazanda dış cidar sıcaklıkları ölçülür. Blöf miktarı belirlenir. Yakıtın alt ısıl değeri ve elemansel analizi belirlenir. Kömür kazanları için külün miktarı ve yanmamış yakıt içeriği belirlenir. Bu ölçüm sonuçlarına göre önce özgül hava miktarı ve özgül baca gazı miktarları belirlenir. Daha sonra, - Teorik özgül hava miktarı Teorik özgül duman miktarı Hava fazlalık katsayısı Gerçek özgül hava ve duman miktarı Baca gazı ısı kaybı oranı Eksik yanma kaybı (is kaybı, toz emisyonundan yararlanarak bulunacaktır.) oranı Yanmamış yakacak kaybı ( kömür için ) oranı Sıcak dış cidar kaybı oranı Blöf kaybı oranı Bunlara bağlı olarak ısıl verim belirlenir. 3. TS 4041’ e GÖRE ISIL VERİM HESAPLARI TS 4041’e göre 6 numara fuel oil için elemansel analiz ve standart yanma verimleri Tablo 1’de verilmiştir. TS 4041’e göre fuel oil yakan örnek bir kazan için yapılan hesaplar verilecektir. a. Hava ve baca gazı hesapları Teorik özgül hava, L0 = O0 = 10.59 Nm 3 / kg 0.21 Teorik özgül kuru duman gazı, 251 Vakm = VCO 2 + VSO 2 + V N 2 + V02 (0.79 / 0.21) V Akro = 1.586 + 0.022 + 0 + 2.226 0.79 0.21 V Akro = 9.982 Nm 3 kg Maksimum CO2 oranı, CO2 max = 1.586 = 0.159 Nm 3 / Nm 3 9.982 Gerçek özgül kuru duman gazı, 1.586 + 0.022 68.53.10 + 0.10825 + 1038.10−6 = 14.7 Nm3 / kg Vakr = −6 Su buharı, Vw =1.221Nm3/kg Hava fazlalığı, 0.159+ 0.022 ⎡ ⎤ 9.982 n =1+ ⎢ −1⎥. −6 −6 ⎣0.108+ 68.5.10 +1038.10 ⎦ 10.59 n =1.45 b. Kayıp hesapları Duyulur baca gazı ısı kaybı esas olarak baca gazı sıcaklığına bağlıdır. 252 ( )( hA = VAkr.c pg + vwcH 2O Tg − T0 )100 H u hA = (14.7.0.321+1.221.0.362)(324−17.3) 100 9922 hA = 15.9% Çeşitli tip yakıt yakan kazanlar için baca kayıp değerleri Şekil 1,2,3 ve 4’de verilmiştir. Eksik yanma kaybı yanmamış yakıt ve CO emisyonu değerine bağlıdır. h CO = V Akr .CO . H CO Hu = 14 . 7 . 68 . 5 . 10 h soot = V Akr .[P ]. −6 . 3020 = 0 . 03 % 9922 H char Hu = 14 . 7 . 145 . 10 −6 . 7900 = 0 . 17 % 9922 Hesaplarda baca gazındaki bütün taneciklerin is olduğu kabul edilmiştir. (P) kuru baca gazı içindeki ölçülen tanecik konsantrasyonunu göstermektedir. Kazan sıcak cidar kaybı kazan dış yüzeylerinde meydana gelir. Ölçülen kazan yüzey alanları ve sıcaklıklarından, hst = q loss 10030 = = 0 .5 % B.H u 212.9922 Blöf miktarı doğrudan ölçülemiyorsa, aşağıdaki denklem yardımı ile yaklaşık olarak bulunabilir. mblowdown = mmakeup C makeup Cboiler C makeup Bu eşitlikte C sudaki TDS değerini gösterir. Verilen TDS değerleri ve bulunan kondens geri dönüş miktarları ile 253 500 = 500l / h 3500 − 500 m (i − i ) 500(200 − 105) = 2.26% hb = b sw w = BH u 212.9922 mb = 3000. c. Isıl verim Isıl verim = 100-(15.9+0.2+0.5+2.26) β = 81.1% Burada üzerinde durulması gerekli bazı önemli hususlar bulunmaktadır: 1. Hava fazlalık katsayısı belirli optimum değerlerde olmalıdır. Daha yüksek değerler baca kaybını arttırır. Daha alçak değerler yanma verimini düşürür ve eksik yanma kaybını arttırır. 2. kazan kayıpları içinde en önemli yeri baca kaybı oluşturur. Baca kaybı özellikle baca gazı sıcaklığına bağlıdır. Bu sıcaklık modern kazanlarda mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Ekonomizör kullanılmayan kazanlarda baca gazı sıcaklığı doyma sıcaklığının 100150 C üstüne kadar indirilebilir. Bu orta basınç seviyelerinde yaklaşık 10 bar basınçlı kazanlarda baca gazı sıcaklığının 300-350 C mertebelerinde olması anlamına gelir. Bu sıcaklıkta duman gazı atımı büyük bir kayıp yaratır. Böyle hallerde dış ekonomizör kullanımı büyük (yaklaşık %10 mertebelerinde) kazanç sağlar. 3. Eksik yanma kayıpları içinde özellikle fuel oil yakıldığında toz ve is emisyonu da dikkate alınmalı ve bu amaçla ölçülmelidir. Bu değerden yararlanılarak is kaybı hesaplanmalıdır. Zis=Vgkr(P)Hchar/Hu ifadesinden yararlanılabilir. Burada (P) kuru baca konsantrasyonu, Hchar kok ısıl değerini ifade etmektedir. 254 gazı içindeki tanecik 4. Blöf kaybı çoğu zaman tahmin edilenden daha fazla etkilidir. Özellikle kondens geri dönüşü yeterli düzeyde yapılmadığı hallerde blöf miktarı artar. Blöf miktarı doğrudan ölçülemiyorsa, bunun için mblöf = mbesi suyu ( Cbesi suyu / ( Ckazan – Cbesi suyu ) ) ifadesinden yararlanılabilir. Burada C sudaki TDS değerini gösterir. Yapılan tipik bir ekonomizörsüz kazan verim ölçümünde aşağıdaki değerlere ulaşılmıştır.: Baca kaybı = %13.95 ; Eksik yanma kaybı = %0.03 ; ısı kaybı = %0.17 ; Sıcak cidar Sonuç olarak ısıl verim = %82.7 aynı kazan üzerinde değişik zamanlarda (2 ay içersinde) yapılan ölçümlerde ise aşağıdaki değerler ölçülmüştür: Baca Hava Sıcaklığı Fazlalığı 248 C 1.30 239 C 1.47 301 C 1.50 304 C 1.40 Isıl Fuel Verim Oil % 86,7 No.6 %85,9 No.6 %82,3 No.4 %82,9 No.4 Görüldüğü gibi tek noktada yapılan verim ölçümü ve değerlendirmeler yanıltıcı olabilmektedir. Sistem sürekli izlenmeli ve ayar edilmelidir. Değişimler yüke bağlı olarak, ayara bağlı olarak, kullanılan yakıta bağlı olarak meydana gelebilmektedir. Kömür yakılması halinde ilave olarak yanmamış yakacak kaybının belirlenmesi gerekir. Yanmamış yakacak kaybı a) b) c) d) Curuftaki yanmamış yakacak Izgara aralalıklarından düşen kömür Uçan kok İs kaybından oluşur. Uçan kok ve is kaybı yukarıda anlatıldığı gibi bacadaki toz ölçümü ile belirlenebilir. Curuftaki yanmamış kömür ile ızgara aralıklarından düşen kömür ise kül analizi ile belirlenir. 255 Bu amaçla fuel oil için anlatıldığı gibi duman gazı içindeki toz oranı belirlenir ve buradan yukarıda anlatıldığı gibi uçan kok ve is kaybı Zis bulunur. İkinci olarak deney sonunda toplanan külden bir miktar ayrılarak, fırında yakılır. Fırına girmeden önce ve sonraki ağırlık farkı ile küldeki yanmamış yakacak oranı belirlenir. Böylece, Zy = a.c.H kok Hu İfadesinden yanmamış yakacak kaybı bulunur. Burada, a = fırında kül yakılmayla belirlenen küldeki yanmamış yakıt oranı c = yakıttaki kül oranı (yakıt analizinden bilinir.) olmaktadır. Buna göre kömürdeki toplam yanmamış yakıt kaybı, Zyt = Zis + Zy şeklinde belirlenir. 4. SİSTEMİN VERİMİNE ETKİYEN FAKTÖRLER: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Hava fazlalığı, Baca gazı sıcaklığı, Brülör ve yakıt cinsi, Yakıtın nem içeriği, Yanma verimi, Isıtma yüzeylerinin kirliliği, Buhar basıncı, Blöf, Besi suyu ve yakma havası sıcaklıkları, Kondens geri dönüşü, Kazan ve boru tesisatı dış yüzeyleri yalıtım kalitesi olarak sayılabilir. Bu faktörler kontrol ederek, kayıpları azaltmak veya geri döndürmek mümkündür. Böylece yakıt enerjisinin tamamının amacımız doğrultusunda kullanılması kayıpların en aza indirilmesi hedeftir. Bu doğrultuda alınabilecek önlemler ikiye ayrılır: 256 1. İyi bakım (good house keeping) 2. Isı geri kazanma veya geri döndürme İyi bakım kontrol listesi aşağıda verilmiştir. Bu önlemler fazla yatırımı gerektirmeyen ve kısa dönemde hemen yapılabilecek işlerdir. 5. KAZAN YÜKÜ Kazanlar en yüksek verimi anma yükü denilen, etiketlerinde yazılı kapasite çalıştırıldıklarında verirler. Eğer kazan anma değerinin üstünde aşırı yüklenirse veya genellikle yapıldığı gibi anma yükü altında çalıştırılırsa, verimde düşme meydana gelir. Verimin yükle değişiminin genel karakteri Şekil 5’de görülmektedir. Kazan aşırı yüklenmesi durumunda yanma verimi düşecek ve baca gazı sıcaklıkları artacaktır. Aşırı yüklemelerde verim düşmesi bu iki faktöre bağlıdır. Öte yandan düşük yüklerdeki kayıplar esas olarak durma kayıplarından kaynaklanır. Kazan duruşa geçtiğinde hem dış yüzeylerden, hem de baca çekişi nedeniyle iç yüzeylerden soğumaktadır. Bu nedenle On-Off çalışan kazanlarda otomatik baca klapeleri önemli bir tasarruf elemanıdır. Durma kayıplarından bir başkası ise, brülörün tekrar çalışmaya başladığı ilk yaklaşık 1 dakika süreli dönemde rejime geçinceye kadar düşük verimle çalışması ve yanmamış yakacak ve eksik yanma kaybı oluşturmasıdır. Kazan ne kadar düşük yükte çalışırsa, bu kayıpların oranı ve etkisi daha fazla artacaktır. Düşük yüklerdeki kayıplar brülör cinsine bağlıdır. Oransal brülör bu açıdan en uygun tiplerdir. Kampanyalar şeklinde veya mevsimlik olarak tam kapasite ile çalışan tesislerde çalışma süresince kazanlar tam kapasite ile çalıştırılmakta, çalışma sezonu dışındaki sürelerde ise ihtiyaca göre kazan düşük yükte çalıştırılarak buhar ihtiyacı karşılanmaktadır. Kazanın düşük yükte çalıştırılması ise verim düşmesine neden olmaktadır. Bunu önlemek için, sezon dışı buhar ihtiyacını karşılayabilecek şekilde seçilmiş daha küçük boyutlu kazanın monte edilmesi ve bu süre boyunca çalıştırılması daha uygun olacaktır. 6. ISITICI YÜZEY KİRLİLİĞİ Isıtıcı yüzeylerdeki kireç taşı ve kurum birikiminin etkisi önemlidir. Kazanlarda konuşulan ısıl verim değerleri herhangi bir kir tabakasının oluşmadığı, temiz yüzeyli yeni kazanlar içindir. Isı geçiş yüzeylerinin her iki tarafında (su ve duman tarafları) birikecek tabakalar ısı geçişini önemli ölçüde engeller ve buna bağlı olarak sıcak 257 gazlar ısılarını suya geçiremeden kazanı terk ederler. Böylece artan baca kaybıyla ilişkili olarak kazan verimi düşer. Duman tarafında özellikle fuel oil ve kömür yakıldığında kurum birikir. Bu tabaka en az haftada bir kez temizlenmelidir. Su tarafında ise kireç birikir. Bu tabakanın temizlenmesi zordur. Bundan dolayı oluşmaması için kondensin geri döndürülmesi ve takviye besi suyunun tasfiye edilmesi gibi önlem alınır. Şekil 6’da kireç kalınlığına bağlı olarak verim düşüşü görülmektedir. 7. İYİ BAKIM VE TASARIM KONULARI: - Brülör ayarını yapmak (hava fazlalığı yüksek) Kazan ısıtma yüzeyleri temizliğini yapmak ( gaz sıcaklığı yüksek) Üretilen buharın basıncı gerekli değilse düşürmek On-off çalışan sistemlerde durma kayıplarını azaltmak üzere baca kapama cihazı kullanmak KAZANLARDA ISI TASARRUFU KONTROL LİSTESİ A) İYİ BAKIM 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Kaçakları ve bozuklukları tamir et Kapak contalarını kontrol et Kazan ve boru izolasyonlarını tamir et Isıtıcı serpantinlerini temizle Ocak alev ve gaz yollarını temizle Durma sırasında su tarafını temizle Dumanı gözleyerek brülörü kontrol et Otomatik yakıt viskozite kontrolü tesis et Sürekli hava fazlalık kontrolü sistemi tesis et Yanmamış katı partikülleri ocağa geri enjekte et B) DÜŞÜK MALİYET 1. 2. 3. 4. 5. Su hazırlamayı geliştir Blöf miktarını kaydet Bütün sıcak ve soğuk hatları izole et Bütün yakıt tanklarını izole et Çalışmayan bacalara kapatma damperi koy 258 6. 7. 8. 9. 10. Ara sıra kullanılan cihazları kaldır Ultrasonik kaçak dedektörü kullan Sürgülü vanaları küresel vanalarla değiştir Atık yağları kazanlarda kullan Bütün kondensleri geri döndür C) YENİLEME 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Motor egzostlarını buhar üretmede kullan Baca gazlarından ısı geri kazan Kondensten flaş buhar elde et Besi suyunu kompresör soğutma suyu ile soğut Kazan borularına türbülatör yerleştir Kurum üfleme tesis et Eski kazan kontrol sistemlerini değiştir Otomatik yakıt viskozite kontrolu tesis et Sürekli hava fazlalık kontrolu sistemi tesis et Yanmamış katı partikülleri ocağa geri enjekte et 8. ISI GERİ KAZANMA ( YATIRIM GEREKTİREN ÖNLEMLER) Yapılacak teknik ve ekonomik bir etütle orta vadede planlanıp gerçekleştirilmeleri düşünülür. Bu önlemler arasında, 1. 2. 3. 4. 5. Ekonomizörler, Hava ısıtıcıları, Blöften buhar ve ısı geri kazanımı, Flaş buhar tankları, Besi suyu ısıtıcıları, sayılabilir. 8.1. EKONOMİZÖR Su borulu kazanlarda çoğunlukla entegre ekonomizör bulunur. Skoç tipi kazanlarda ise ekonomizör bir dış ünitedir ve sistem kuruluşunda veya sonradan ilave edilir. Ekonomizörsüz bir kazana ekonomizör ilavesi büyük kazanç sağlar 16 bar işletme basınçlı ve 7 ton/h kapasiteli doymuş buhar üreten ve doğal gaz yakan bir kazan için yapılan basit bir çalışmada ekonomizör ile 46 m3/h yakıt tasarrufu hesaplanmıştır. 259 Kazanda günlük yakıt tasarrufu 1100 m3 değerine ulaşmakta olup, bu yaklaşık %8,2 oranında bir tasarrufa karşı gelmektedir. Daha uygun şartlarda bu değer %10 mertebelerine çıkabilmektedir. Böyle bir yatırımın geri ödeme süresi 1 yılın altında kalmaktadır. Özellikle yeni kazan siparişlerinde ve özellikle doğal gaz yakıldığında ekonomizör mutlaka gözönüne alınmalıdır. Eski tesise eko ilavesinde çoğu zaman yer problemi, baca çekiş problemi olarak iki ana problem çıkar. Eğer sistem doğal çekişli ise, eko ilavesi halinde cebri çekişe geçmek normal şartlarda bir zorunluluk haline gelir. 8.2. YAKMA HAVASI ISITILMASI Kazanlarda yakma havasının ısıtılması ile kazan verimini artırmak mümkündür. Yakma havası ısıtılması ile her 56 C’lik bir artış için kazan verimi yaklaşık %2 artar. Ancak baca gazı sıcaklığından yararlanılarak verim artışı sağlamak amacı ile yakma havası ısıtılmaz. Bunun yerine ekonomizör kullanılır. Çünkü ekonomizör çok daha ucuzdur. Sadece yakıtın istenen bir biçimde yakılabilmesi için sıcak hava gerekiyorsa sıcak hava kullanılır. Kömür halinde, özellikle toz kömür ocaklarında mutlaka sıcak havaya gereksinim vardır. Toz kömür ocaklarında sıcak hava hem öğütme işleminde, hem taşıma havası olarak ve hem de yakma havası olarak kullanılır. 9. YAKMA SİSTEMLERİ Fosil kaynaklı yakıtlardan ısı enerjisi elde etmek amacıyla halen en çok kullanılan yöntem yakma yöntemidir. Yanma, yakıtların hava ile temasa getirilerek içerdikleri kimyasal enerjinin ısı enerjisine dönüştürülmesi olayıdır. Yanma, yakıtların hava ile temasa getirilerek okside edilmesi veya gazlaştırılması olayı olarak da tanımlanmaktadır. Isı enerjisi, yakıtın bünyesini oluşturan karbon ve hidrojenin oksijenle ekzotermik bir reaksiyona girmesi sonucunda açığa çıkmaktadır. Bütün gaz, sıvı ve katı yakıtlar için aynı şey geçerlidir. Elde edilen bu enerji, sıcak su ve buhar üretmek için kullanılmaktadır. Yanmanın gerçekleştirilmesi için kullanılan mekanik yapı ise yakıcı veya yakma sistemi olarak isimlendirilmektedir. Yakma sistemi bir motor şeklinde olabildiği gibi bir fırın şeklinde de olabilmektedir. 260 Mutfaklarda yemek pişirmek amacıyla kullanılan ocaklardan termik santrallere kadar değişen, çok geniş bir kapasite aralığında yanma uygulamaları bulunmaktadır. Yakma sistemlerinin tasarımı yakıtın tipine bağlı olarak değişmektedir. Günümüzde çok değişik yakma sistemleri geliştirilmiş bulunmaktadır. Bir yakma sisteminin aşağıda belirtilen özelliklere sahip olması beklenmektedir : • • • • • • • • Yakıt ve hava arasında iyi bir temas sağlamak Yanma için uygun bir sıcaklık sağlamak Yanma için yeterli bir hacim ve süre sağlamak Yanma veriminin yüksek olması Kirletme potansiyelinin mümkün olduğu kadar düşük olması İyi bir tasarıma sahip olması ve az yer kaplaması Güvenlik donanımının iyi olması Bakım ve tamir giderlerinin düşük olması Bir yakma sisteminin bütün bu özellikleri taşıyabilmesi ideal bir durumdur. Halen kullanılmakta olan sistemlerin genellikle bu ideal durumdan uzak olduklarını gözden kaçırmamak gerekmektedir. Yakma sistemlerinin genel performansı, kullanılan yakıtın özellikleri tarafından da önemli ölçülerde etkilenmektedir. Yanmayı ve yanma sisteminin performansını etkileyen yakıt özellikleri şunlardır : • • • • • • • • Alt ısıl değeri Kül içeriği Nem içeriği Uçucu madde miktarı Kükürt içeriği Reaktivitesi Kül sinterleşme sıcaklığı Vizkozitesi Yakma sistemini seçerken göz önüne alınması gereken konular ise şu şekilde sıralanabilir : Yakıtın türü, istenen buhar/sıcak su miktarı, kapasite değişimi, temizlik, bakım ve onarım özellikleri, alternatif yakıt durumu ve ekonomik durum. 261 2.YAKMA SİSTEMLERİNİN SINIFLANDIRILMASI Yakıtın türüne ve uygulama gereksinimine bağlı olarak çok sayıda yakma sistemi geliştirilmiştir. Kullanılan yakıt temel alınarak yakma sistemlerini başlıca üç grup altında toplamak mümkündür. Bunlar : 1. Katı yakıt yakma sistemleri 2. Sıvı yakıt yakma sistemleri 3. Gaz yakıt yakma sistemleri Bu sistemleri tümü ile birbirinden bağımsız düşünülmemelidir. Çünkü, birden fazla yakıtı yakma özelliğine sahip sitemler de bulunmaktadır. Fuel oil ve/veya doğal gaz veya kömür – fuel oil brülörleri, birden fazla yakıtın yakılabildiği akışkan yataklar bunlara örnek olarak gösterilebilir. Bu tip sistemler, çoklu yakıt yakma sistemleri olarak isimlendirilmektedir. 3.KATI YAKIT YAKMA SİSTEMLERİ Günümüzde kullanılan katı yanı sıra odun, bitümlü kullanılabilmektedir. Ancak çok az kullanılmaktadırlar. üzerinde durulacaktır. yakıtlar temel olarak kömürlerden oluşmaktadır. Bunu şişt, asfaltit gibi katı da yakıtlar ısınma amacıyla bu yakıtlar, endüstriyel ölçekte enerji üretmek amacıyla Bu nedenle burada yalnızca, kömür yakma sistemleri Bir kömür yakma sistemi temel olarak üç ana birimden oluşmaktadır : 1.Besleyici veya brülör, 2. Yanma hücresi, 3. Isı değiştirici yüzeyler. Bu elemanların tasarımı sistemden sisteme değişebilmektedir. Kömür yakma sistemlerin başlıca üç grupta toplamak mümkündür. Bunlar : 1. Sabit Yataklı (Izgaralı) Yakma Sistemleri 2. Akışkan Yataklı Yakma Sistemleri 3. Toz Kömür Yakma Sistemleri Bu gruplarda yer alan yakma sistemlerinin alt grupları ise Tablo 1’de görülmektedir (Arısoy,1991). Bu Tabloda ayrı bir grup olarak görülen siklon yakıcılar ve kombine yakma sitemlerinde de toz kömür yakılmaktadır. Bu nedenle bunları toz kömür yakma sistemleri içine dahil etmek mümkündür. 262 Tablo 1. Kömür yakma sistemleri Sistem 1. Sabit Yataklar (Izgaralı) 2. Akışkan Yataklar 3. Toz Kömür Yakma Sistemleri 4. Siklon Ocaklar 5. Kombine Yakma 1.1. 1.2. 2.1. 2.2. 2.3. 3.1. 3.2. 5.1. 5.2. Alt Sistemler Elle Yüklemeli Mekanik Yüklemeli • Titreşimli • Alttan Beslemeli • Üstten Beslemeli • Çapraz Beslemeli Atmosferik Hızlı Basınçlı Kuru Sistemler Yaş Sistemler Kömür - Su karışımları Kömür - Sıvı Yakıt Karışımları Kömür ve diğer katı yakıtlardan enerji elde etmek amacıyla kullanılan çeşitli sistemlerin bazı hidrodinamik özellikleri ve çalışma koşulları Tablo 2’ de kıyaslanmıştır (Basu ve Fraser, 1991). Sabit yatak, akışkan yatak ve toz kömür yakma sistemleri arasında önemli hidrodinamik farklar bulunmaktadır. Sabit yataklı sistemlerde yakıt durağandır ve hava yakıt yığını içinde doğal veya zorlanmış akımla geçmektedir. Bu sistemlerde yakıtın büyüklüğü genellikle, 10 mm’den büyüktür. Yakıtla hava arasında ters akım prensibine uygun bir temas gerçekleşmektedir. Ancak yakıt üst üste yığılmış iri parçalardan olduğundan, hava ile temas çok iyi olmayabilir. Bu sistemlerde aglomerasyon veya sinterleşme önemli bir sorun olabilir. Akışkan yataklarda ise yakıt 1-10 mm gibi daha küçük boyutlardadır ve yakıt ile hava oldukça iyi bir şekilde karışmaktadır. Her yakıt taneciğinin tüm yüzeyi havayla temastadır ve tanecikler yatak içinde her yönde hareket edebilmektedir. Karışma türbülent koşullarda gerçekleşmektedir. Bu nedenle yatak içinde sıcaklık gradieni çok küçüktür ve yatakla ısı iletim yüzeyleri arasındaki ısı iletim katsayıları daha yüksektir. Bu sistemlerde yüksek yanma verimlerine (>%90) ulaşılabilmektedir. 263 Toz kömür yakma sistemlerinde, kömür mikron mertebelerindeki toz halindedir. Kömür brülörler vasıtasıyla ve hava ile karıştırılarak yanma odasına taşınmaktadır. Kömür ile yakıt tanecikleri brülörün içinde türbülent koşullarda karışmalarına karşın yanma odasında ayni yönde ve piston akış koşullarında hareket etmektedirler. Yakıt toz halde olduğu için, hava ile çok iyi bir karışma ve hızlı bir yanma gerçekleşmektedir. Kömür tanecikleriyle hava aynı yönde ve yukarıya doğru hareket etmektedir. Tablo 2. Kömür yakma sistemlerinin kıyaslanması. Sabit Habbeli Özellik Yataklar Akışkan (Stoker) Yatak Yatak yüksekliği veya yakıt tabakasının 0,2 1-2 kalınlığı (m) Kömür tanecik boyutu (mm) 6 - 40 0-6 Hava fazlası (%) 20 - 30 20 - 25 Yanma verimi (%) 85 - 90 90 - 96 264 Hızlı Akışkan Yatak Toz Kömür Yakma 15 - 40 27 - 45 0-6 10 - 20 95 - 99 <0.0001 15 – 30 99 Birim alan başına üretilen ısı (MW/m2) Hava hızı (m/s) Kapasite oranı ( -) Fırında tutulan SO2 oranı (%) NOx yayınımı (%) Katı hareketi 0,5 – 1.5 1.2 4:1 0,5 – 1.5 1.5 – 2.5 3:1 3-5 4 - 12 3 – 4:1 4-6 4-6 Yok 400 - 600 Durağan 80 - 90 300 – 400 Her yöne 80 - 90 50 - 200 Genellikle yukarıya doğru Gaz hareketi Kat-gaz karışması Yukarıya İyi - ters Yukarıya Çok iyi Yukarıya Çok iyi Az 400 - 600 Genellikle yukarıya doğruya, bazen aşağıya Yukarıya Çok iyi paralel Tipik ısı iletim katsayıları (W/m2K) Sıcaklık gradiyeni 50 -150 200 - 550 100 - 250 Büyük Önemli ölçüde Çok küçük Aglomerasyon Olabilir Küçük Önemli değil Az Biraz Biraz Parçalanma Sürüklenme 50 - 100 Önemli olabilir Önemli değil Önemli ölçüde 3.1. SABİT YATAKLI (IZGARALI) YAKMA SİSTEMLERİ Izgaralı yanma sistemler olarak da bilinen bu sistemlerde, kömür bir ızgara üzerinde sabit bir yatak şeklinde yanmaktadır. Bu nedenle sabit yataklı sistem ismini taşımaktadırlar. Ancak, kömür hareketsiz olmasına rağmen üzerinde durduğu ızgara hareketsiz veya hareketli olabilmektedir. Kömür çeşitli yollarla bu ızgara üzerine yayılmaktadır. Hava ızgaranın altından beslenerek kömür yığını içinden geçer. Yanma sonucundan ortaya çıkan kül yine değişik şekillerde sitemden çekilir. Şekil 1‘ de ızgaralı yakma sistemlerinde kömür ve havanın beslenme şekilleri şematik olarak verilmiştir. Kömürün beslenme şekline göre ızgaralı yanma sistemleri üç grup altında toplanmaktadır : 265 a) Üstten beslemeli sistemler b) Alttan beslemeli sistemler c) Yandan beslemeli sistemler Üsten beslemeli sistemlerde, kömür ızgaraya üstten beslenmektedir ve hareket yönü aşağıya doğrudur. Hava ise ızgaranın altından beslenmekte ve kömür tabakası içinden geçmektedir. Oluşan kül ızgaranın üstünde birikmektedir. Kül tabakasının üstünde yarı kok halindeki kömür, onun üstünde ise beslenen taze kömür tabakası bulunmaktadır. Taze kömür, ızgaranın üzerine beslenir beslenmez hızlı bir şekilde ısınmakta ve açığa çıkan uçucu maddelerin bir kısmı tam yanmadan sistemi terk etmektedir. Bu hem enerji kaybına hem de çevre kirliliğine yol açmaktadır. Bu sistemlerde, tam yanmayı sağlamak amacıyla ızgaranın üstündeki bir noktada ikincil hava beslenmesi yapılmaktadır. Üsten beslemeli sistemlerde kömürü ızgara üzerinde tekdüze kalınlıktaki bir tabaka şeklinde yaymak mümkündür. Böylece, ızgaranın her tarafında kömürün aynı hızda yanması ve görece düzgün bir sıcaklık dağılımının elde edilmesi sağlanabilmektedir. Alttan beslemeli sistemlerde, kömür alttan beslenmekte ve yukarıya doğru çıktıkça yanmaktadır. En üstte kül, onun altında yarı kok, en altta ise taze kömür yer almaktadır. Kömürün beslenmesi bir sonsuz vida yardımı ile yapılabilmektedir. Birincil hava yine aşağıdan beslendiği için yakıtla hava arasında paralel bir akış gerçekleşmektedir. Üst tarafta biriken kül, kül bunkerlerinde toplanarak dışarı çekilmektedir. Uçucu maddeler, sıcak kömür yatağı içinde geçerken yanmaktadırlar. Böylece üstten beslemeli sistemlerde uçucu maddelerin tam yanmamasından kaynaklanan enerji kaybı bu sistemlerde ortadan kalkmış olmaktadır. Yandan beslemeli sistemlerde, kömür hareketli bir ızgaranın üstüne yandan beslenmektedir. Kömür ızgaranın diğer uca ulaşıncaya kadar yanmasını tamamlamakta ve oluşan kül toplama bunkerlerinde toplanarak dışarı alınmaktadır. Yanma havası yine dikey yönde hareket etmektedir. Böylece kömür ile hava arasında çapraz akış koşullarında temas gerçekleşmektedir. Bu sistemlerde de, gerektiğinde ızgaranın üstünde ikincil hava beslemesi yapılmaktadır. Yandan beslemeli yakma sistemlerinde ızgara üzerinde tek düze bir kömür kalınlığı sağlanamamaktadır. Bu nedenle ızgara üzerinde sıcaklıkları bir birinden farklı bölgeler ortaya çıkmaktadır. Aşağıda, bu yöntemlerle çalışan çeşitli yakma sistemlerinin örnekleri verilmiştir. 266 Şekil 1. Izgaralı yakma sistemlerinde kömür ve havanın beslenme şekilleri. a) Üstten beslenmeli, b) Alttan beslenmeli, c) Yandan beslenmeli. 3.1.1. ELLE YÜKLEMELİ IZGARALI YAKMA SİSTEMLERİ Bu sistemlerde kömür sabit bir ızgara üzerine elle beslenmektedir. Küçük çaplı uygulamaları vardır. Bunların en tipik örnekleri ısınma amacıyla evlerde ve apartmanlarda kullanılan sobalar ve kalorifer kazanlarıdır. Bu sistemleri kullanırken şu noktalara dikkat edilmesi gerekmektedir : Uygun miktarlarda hava beslenmelidir. Gereğinden fazla beslenen hava bacada ısı kayıplarının artmasına neden olmaktadır. Yanma odasındaki yanma süreci izlenerek yanmanın kalitesi hakkında fikir edinmek mümkündür. Alevin çok uzun ve dumanlı olması halinde alev bölgesine ikincil delikleri açılarak hava beslenmelidir. Linyit gibi uçucu madde oranı yüksek olan kömürler yakılırken, ikincil hava beslenmesi büyük önem taşımaktadır. Böyle kömürler sobada yakıldığı zaman, yakma alttan değil üstten yapılmalıdır. Böylece, kömürün ısınması sonucundan ortaya çıkan uçucu maddelerin yukarıya doğru çıkarken sıcak kömür yatağı içinden geçerek yanmaları sağlanmış olmaktadır. Uçucu maddelerin, kömürün ısıl değerinin yaklaşık %30 – 50 ‘si kadar enerji taşıyabildiğinin gözden kaçırılmaması gerekmektedir. Bu sistemlerde yanan kömür yığının sık sık karıştırılmamalıdır. Aksi taktirde özellikle, ince kömür taneciklerinin yanmadan ızgaranın altına düşmekte ve yakıt kaybına neden olmaktadır. 267 Sistemin bakımının düzenli olarak yapılmasına ve hava kanallarının temizlenmesine özen gösterilmelidir. Uçucu maddelerin tam yanmasını sağlamak için kömürün alttan değil üstten yakılması gerekmektedir. Bu durum göz önüne alınarak, çıkan uçucu maddelerin sıcak kömür yığını içinden geçerek yandığı soba tasarımları geliştirilmiştir. 3.1.2. MEKANİK BESLEMELİ YAKAMA SİSTEMLERİ (STOKERLER) Stoker veya ızgaralı yakma sitemleri olarak ta bilinen bu yakma sistemlerinde kömür mekanik olarak ızgara üzerine beslenmektedir. Endüstriyel ölçekte sıcak su ve buhar üretimi (10 - 150 ton buhar/h) için bu sistemler yaygın bir şekilde kullanılmaktadırlar. Üstten beslemeli, alttan beslemeli ve çapraz beslemeli olabilmektedirler. Şekil 2 ‘de alttan beslemeli bir stoker yakma sistemi görülmektedir (Dainton, 198 ). Bu sistemler, bilinen en eski tiplerinden birisidir. Kömür, bir sonsuz vida yardımıyla alttan yanma odasına beslenmekte ve yukarıya doğru çıkarken yanmaktadır. Kül, en üstten yandaki kül depolarına oradan da dışarı çekilmektedir. Alttan beslenen taze kömürün ısınması sonucundan açığa çıkan uçucu maddeler, kor halindeki kömür yığın içinden geçerken yanmaktadır. Böylece uçucu maddelerin yanmadan sistemi terk etmesi önlenmiş olmaktadır. Bu yakıcılar, sürekli yükte çalışmaya elverişlidirler. Yanmanın durdurulması sırasında uçucu maddelerin çıkmaya devam etmesi ve havanın yetersiz kalması nedeniyle duman çıkmaktadır. Bu durumda sistem durdurulduktan sonra yatak yüzeyine bir süre ikincil havanın beslenmesi gerekmektedir. Bu sistemler otomatik kontrole uygundur. Etkin bir yanma sağlamak ve hava ve kömür ayarlarını hassas bir şekilde yapabilmek için sistemi otomatik kontrol sistemleriyle donatmak gerekmektedir. Kapasiteleri nispeten düşüktür. Alttan beslemeli yakma sistemleri, toz oranı düşük ve sinterleşme eğilimi zayıf olan kömürlerin yakılması için uygundur. Kömürdeki kül oranının düşük olması önerilmektedir. 268 Şekil 2. Alttan beslemeli stoker yakma sistemi. Şekil 3 ‘de büyük stokerler grubuna giren fırlatmalı bir yakma sisteminin şematik şekli görülmektedir (Daiton, 1981?). Kömür bir depodan, üzerinde kanatçıklar bulunan döner bir fırlatıcının üzerine beslenmektedir. Fırlatıcı kömürü ızgaranın üzerine tekdüze bir şekilde dağıtmaktadır. Birincil hava ızgaranın altından, ikincil hava ise ızgaranın üstünden beslenmektedir. Bu yakıcılarda ızgara, hareketli, titreşimli veya salınan tipte olabilmektedir. Kül ızgara hareketinin sonucunda ızgaranın altına düşmektedir. Kömür yatağının üstünde ikincil hava kanalları bulunmaktadır. Bu tip kazanların kapasitesi 10 – 150 ton buhar/saat civarındadır. Fırlatmalı stokerlerin en önemli özelliği değişik kalitede kömürleri yakmaya uygun olmalarıdır. En uygun kömür boyutu 25 – 30’ mm dır. Kül oranın ise %25’ in altında olması tercih edilmektedir. Şekil 4 ‘ de hareketli ızgaraya sahip bir stoker yakma sistemi şematik olarak gösterilmiştir. Bu sistem, aynı zamanda yandan beslemeli bir yakma sistemi örneğidir. Izgara yatay olarak hareket etmektedir. Kömür belirli bir kalınlıkta yandan ızgaranın 269 üstüne beslenmekte ve ızgaranın altından zorlanmış çekişle beslenen birincil hava ile karışarak yanmaktadır. Izgaranın üstünden ise ikincil hava beslenmektedir. Izgaranın sonunda kömürün yanması tamamlanır ve oluşan kül buradan dışarı alınır. Besleme ucundan itibaren kömür tabakasının kalınlığının incelmesi ve hava akışına gösterdiği direncin düşmesi nedeniyle havanın ızgara boyunca dağılımı bozulmaktadır. Bunun önüne geçmek için ızgara altındaki bölge bölmelere ayrılmıştır ve kömür besleme noktasından itibaren gittikçe azalan miktarlarda hava beslenmektedir. Bu sistemler 6080 MW kapasitedeki uygulamalara için uygundurlar. Şekil 3. Fırlatmalı stoker yakma sistemi. 270 Şekil 4. Hareketli ızgaralı stoker. Hareketli ızgaralı sistemler değişik niteliklerdeki kömürleri yakmaya elverişlidir. Kullanılan kömür çok kaba olmamalıdır. Kömür içinde ince kömür oranının fazla olması durumunda, kömür bir miktar ıslatılmalıdır. Böylece ızgara altı kayıpları azaltılmış olmaktadır. Kömürdeki kül oranının %10 düşük olduğu durumlarda, ızgaranın üzerinde kalan kül miktarı çok az olmakta ve ızgaranın aşırı derecede ısınarak zarar görmesine neden olabilmektedir. 3. 2. AKIŞKAN YATAKLI YAKMA SİSTEMLERİ Akışkan yataklı yakma sistemleri, yakıt/kömür taneciklerinin hava ile akışkanlaştırılmış bir katı tanecikler ortamında yakıldığı sistemlerdir. Akışkanlaştırma ise katı taneciklerine sıvı davranımı özelliklerinin kazandırılması olayıdır. Akışkanlaştırma delikli bir plaka üzerinde bulunan katı tanecikler yığını içinden hava 271 geçirilerek sağlanır. Böyle bir sistemde hız belirli bir değere ulaşınca, havanın kaldırma ve sürükleme kuvvetleri taneciklerin ağırlığını dengeler ve tanecikler havanın içinde asılı kalırlar. Bu fiziki durum minimum akışkanlaşma ve bu noktadaki hız minimum akışkanlaşma hızı olarak bilinir. Bu noktadan sonra katı - gaz karışımı artık bir sıvı davranımı göstermektedir. Hava hızının artması ile karışma şiddetlenir (Kunii ve Levenspiel, 1977). Minimum akışkanlaşma noktasından sonra sistemde iki faz görülmektedir. Birincisi hava kabarcıklarından oluşan habbe fazı, ikinci ise habbelerin dışında kalan ve yine hava ve katı taneciklerinin karışımından oluşan sürekli faz. Hava hızı artmaya devam ederse, sonunda öyle bir noktaya ulaşılır ki, tanecikler sistemden taşınmaya başlar. Bu noktadan sonra önce küçük sonra daha büyük tanecikler sistemden taşınmaya başlar. Bu noktadaki hız taşınma hızı (terminal hız) olarak isimlendirilmektedir ve akışkanlaşmanın üst sınırını oluşturmaktadır. Şekil 5’de akışkanlaşmanın çeşitli aşamaları görülmektedir. Ancak daha sonraki bölümlerde de görüleceği gibi, taşınma hızının üstünde çalışan akışkan yataklı yakma sistemleri de bulunmaktadır. Şekil 5. Akışkanlaşmanın aşamaları. (a) Sabit yatak, (b) Akışkan yatak (c) Pnömatik taşıma Akışkan yatakta oluşan habbeler yukarıya doğru hareket ettiklerinde beraberlerinde katı taneciklerini de sürüklemekte ve yatak yüzeyine ulaşınca patlayarak bu tanecikleri serbest bölgeye fırlatmaktadırlar. Serbest kalan taneciklerin büyük bölümü tekrar katı – gaz karışımının bulunduğu aktif yatağa geri dönerek aşağıya doğru inmeye başlarlar. Bu hareket bütün yatak hacminde tekrar eder ve sistem içinde etkin ve 272 şiddetli bir karışma gerçekleşir. Katı ve gazın bu şekilde karışması daha sonraki bölümlerde de görüleceği gibi, bu sistemlerde çok hızlı bir kütle ve ısı iletimini sağlamaktadır (Kunii ve Levenspiel, 1977; Geldart, 1983). Akışkan yataklı bir yakma sisteminde, temel olarak üç ana bölümden oluşmaktadır : i) rüzgar odası, ii) dağıtıcı elek, ii) yanma odası. Rüzgar adası akışkanlaşma ve yanma için kullanılan havanın beslendiği bölgedir ve dağıtıcı eleğin altında yer almaktadır. Havanın tek düze bir şekilde dağıtıcı eleğe ulaşmasını sağlamaktadır. Dağıtıcı elek, rüzgar odası ile yanma odasının arasında yer almaktadır. Görevi hem yatak malzemesini taşımak hem de akışkanlaştırma havasını yatak içinde tekdüze bir şekilde dağılmasını sağlamaktadır. Çok çeşitli tipleri bulunmaktadır. Endüstriyel ölçekteki akışkan yataklarda daha çok kampana veya nozul türü dağıtıcı elekler kullanılmaktadır. Yanma odası, yanmanın gerçekleştiği bölümdür ve dağıtıcı eleğin üstünde yer almaktadır. Bölüm aktif yatak ve serbest bölge olmak üzere iki bölgeden oluşmaktadır. Kömür ve havanın karışarak yandığı alt bölge aktif yatak olarak isimlendirilmektedir. Aktif yatak bölgesinin üstünde kalan bölge serbest bölge olarak isimlendirilmektedir. Hava ile sürüklenen kömür tanecikleri ve ucu maddelerin yanması bu bölgede gerçekleşmektedir. Bu bölge aynı zamanda çeşitli kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği bir ortamdır. İkincil (sekonder) hava beslemesi genellikle bu bölgede yapılmaktadır. Bu temel elemanların yanı sıra, akışkan yatak kömür besleme ve kül çekme sistemleri, fanlar, ateşleme ve kontrol birimleri gibi çeşitli birimlerle donatılmaktadır. Şekil 6’da bir akışkan yataklı yakma sistemi şematik olarak görülmektedir (Atakül vça., 1991). Akışkan yataklı yakıcılarda, yanma odasında bulunan inert katı maddeler (kül ve/veya kum.....gibi) kömürün tutuşma sıcaklığına kadar ısıtıldıktan sonra kömür tanecikleri beslenmektedir. Yanma kararlılığı sağlandıktan sonra, ön ısıtmaya son verilir. Ön ısıtma için genellikle fuel oil kullanılmaktadır. Akışkan yatakta yakılan kömürlerin tipik boyutu 1-7 mm arasında değişmektedir. Kömürün herhangi bir anda yatak içindeki derişimi tüm yatak envanterinin %1 - 5’ i kadardır (Howard, 1989, Atakül vça, 1991). Geri kalan kütle kül ve kum gibi inert maddelerden oluşmaktadır. Kömür genellikle %20’lik bir hava fazlalığı ile yakılmaktadır. Yatak içindeki etkin katı - gaz karışması, yüksek kütle ve ısı iletim katsayıları ve uzun yanma sürelerinden dolayı 273 yanma verimi %98’ e kadar çıkmakta ve sistem içinde tek düze bir sıcaklık dağılımı sağlanabilmektedir. Operasyon sıcaklığı geleneksel yakma sistemlerine göre hayli düşüktür. Yanma sonucunda oluşan kül, kül çekme boruları vasıtasıyla ortamdan çekilmektedir. Şekil 6. Akışkan yataklı yakma sisteminin şematik şekli. 274 Habbeli akışkan yataklı yakıcılarda yanmanın tamamlanması için serbest bölge yüksekliğinin yeterince büyük olması gerekmektedir. Bu bölge boyutlandırılırken kullanılacak yakıtın özelliklerinin göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Akışkan yatak operasyonları açısından en önemli parametrelerden birisi operasyon sıcaklığının kontrol edilmesidir. Yanma verimi açısında yanmanın mümkün olduğu kadar yüksek sıcaklıklarda sürdürülmesi gerekmektedir. Ancak, yüksek sıcaklıklarda yakıtın aglomerasyona uğrama (sinterleşme) tehlikesi ortaya çıkar. Yanı, aglomerasyon sıcaklığı operasyon sıcaklığının üst sınırını belirlemektedir. Aglomerasyon başladığı zaman yanma son bulur ve sistem tüm özelliklerini yitirir. Bu durumdan yatağı söküp oluşan aglomere kütlenin çıkarılması gerekmektedir. Akışkan yataklı yakma sistemlerinde operasyon sıcaklığı, genellikle, 800 - 950oC arasındadır. Bu sıcaklık yakıtın özelliklerine bağlı olarak bir miktar değişebilmektedir. Türk linyitleri üzerinde yapılan araştırmalar, bu linyitlerin aglomerasyon sıcaklıklarının hayli düşük olduğu ve bu nedenle bu yakıtların yakıldığı akışkan yataklarda operasyon sıcaklığına çok dikkat edilmesi gerektiği belirtilmektedir. (Atakül ve Ekinci, 1989, Atakül ve Ekinci, 1990; Atakül vça, 1990, Hilmioğlu vça. 1998). Akışkan yataklı yakıcılarda ısı, içinde su dolaşan yatak duvarları, aktif yatak ve serbest bölgeye yerleştirilen ısı iletim yüzeyleri vasıtasıyla çekilebilmektedir. Akışkan yatak teknolojisinin en önemli özelliklerinden birisi, kireçtaşı ve dolomit gibi sorbentler kullanılarak, SO2’nin yanma sırasında tutulabilmesidir. Sorbent, kömürle karıştırılarak veya ayrıca yatağa beslenebilmektedir. Uygun operasyon koşullarında. Ca/S mol oranını 2.5 – 3.0 civarında seçilerek SO2’i %90 oranında tutmak mümkündür. Akışkan yataklı yakma sistemlerinde operasyon sıcaklığı düşük olduğu için NOx yayınımı da düşük seviyelerde kalmaktadır. Akışkan Yatak Yakma Sistemlerinin Tipleri Akışkan yataklar, temel olarak iki grup altında toplanmaktadır. 1. Atmosferik akışkan yataklar, 2. Basınçlı akışkan yataklar. Her grubun içinde ayrıca habbeli akışkan yataklar ve hızlı (dolanımlı) akışkan yataklar bulunmaktadır. Halen uygulamadaki akışkan yatakların çoğunluğu atmosferik akışkan yatlardan ibarettir. 3.2.1. Atmosferik Habbeli Akışkan Yataklar 275 Atmosferik akışkan yataklar en basit ve en iyi bilinen akışkan yataklardır. Atmosferik basınçta çalışmaktadırlar. Bu akışkan yatakların tipik bir şekli Şekil 7’de şematik olarak gösterilmiştir (Atakül vça.,1991) Bunlarda hava hızı 2 - 6 m/s arasında değişmektedir. Endüstriyel ölçeklerde sıcak su ve buhar üretimi için kullanılan bu sistemlerde, ısı çekme işlemi yakıtın Şekil 7. Atmosferik akışkan yatak yakma sistemi. özelliklerine ve çalışma koşullarına bağlı olarak aktif yatak, serbest bölge veya her ikisinden birden çekilebilmektedir (Howard, 1989). Uçucu oranı yüksek olan yakıtlarda aktif bölge aynı zamanda bir gazlaştırma görevi yapmakta ve oluşan gaz ürünler daha çok serbest bölgede yanmaktadır. Bu tür yakıtlarda ısı serbest bölgeden çekilebilmektedir. Aktif yatak bölgesinde ortaya çıkan ısı miktarı daha fazla olduğundan burada çekilen ısı genellikle serbest bölgeye göre 6 - 7 kat daha fazla olmaktadır. Bu sistemlerde kesit alanın metre karesi başına 1.5 MW kadar enerji üretmek mümkündür. Atmosferik akışkan yataklarda 200 MW’ lık kapasitlerin üstüne çıkılmıştır. Bu sistemler, klasik yakma sistemlerine eklenebilmektedir ve böylece 276 akışkan yatakların üstünlüklerinden yararlanmak mümkün olmaktadır. Bu tip akışkan yataklar eklemlenene (hibrit) akışkan yataklar olarak isimlendirilmektedir. 3.2. 2. Basınçlı Akışkan Yataklar Bu sistemler, daha yüksek yanma verimlerine ulaşmak ve bileşik ısı - güç çevirimi yoluyla elektrik üretmek amacıyla 1970 yıllarında geliştirilmeye başlanmıştır. Bunların da, atmosferik akışkan yataklarda olduğu gibi, habbeli ve hızlı tipleri bulunmaktadır. Çalışma basınçları 12 - 16 bar arasında değişmektedir. Şekil 8’ de basınçlı bir akışkan yatağın şematik şekli görülmektedir (Basu ve Fraser, 1991). Basınç altında havanın yoğunluğu arttığından, basınçlı akışkan yataklarda akışkanlaşma kalitesi atmosferik akışkan yataklara kıyasla daha iyidir. Bu nedenle bu sistemlerde buhar kazanlarının boyutları küçülmektedir. Bunun yanı sıra, atmosferik akışkan yataklara kıyasla daha yüksek döngü verimine (> %40 ) ve SO2 tutma oranlarına sahip olması, erozyonun düşük seviyelerde kalması, modüler şekilde yapılabilmeleri ve gaz ve buhar türbinleriyle entegre olabilmeleri gibi üstünlükleri bulunmaktadır (Hamdullahpur vça, 1994; Haword, 1983). Atmosferik akışkan yataklarda bir metre kare kesit alanı başına 1.5 MW olan enerji üretimi bu sistemlerde 7 MW’ a kadar çıkmaktadır. Basınçlı habbeli akışkan yataklarda aktif yatak derinliği daha büyük ve çalışma hızları daha düşüktür. Bu sistemlerde karşılaşılan en önemli sorun, sıcak basınçlı gazların temizlenmesi olayıdır. Bu gazların gaz türbinine girmeden önce mikron mertebelerindeki ince tozlardan arındırılması gerekmektedir. Halen bu iş için siklonlar, 1250 oC’ a kadar başarılı bir şekilde kullanılabilmektedir. Basınçlı hızlı akışkan yatak uygulamalarında hem buhar döngüsü hem de gaz türbinleri daha yüksek verimlerle çalıştırılabilmektedir. Bu yolla güç üretiminde çok yüksek bir genel verime (> %50) ulaşmak mümkün olmaktadır (Davidson vça., 1991). Günümüzde 400 MW’ varan basınçlı akışkan yataklar devreye alınmış bulunmaktadır. Bunlarla ilgili çalışmalar devam etmektedir. 277 Şekil 8. Basınçlı akışkan yataklı yakma sistemi. 3.2.3. Hızlı Akışkan Yataklar Çevre ile ilgili duyarlılığın artması nedeniyle bu konuda çıkan yasa ve yönetmenlikler her geçen gün daha da sınırlayıcı hale gelmektedir. Bu yasal düzenlemeler özellikle kömür yakma sistemlerinde emisyonların daha da düşürülmesini ön görmektedir. Daha etkin ve daha temiz bir yakma için yapılan çalışmalar sonucunda 1980’lı yıllarda hızlı akışkan yatak teknolojisi geliştirilmiştir. Bu sistemler dolanımlı akışkan yataklar olarak bilinmektedir. Atmosferik veya basınçlı olabilmektedirler. Şekil 9 ‘da hızlı bir akışkan yataklı yakma sistemi görülmektedir (Hamdullahpur vça, 1994) . Sistem başlıca şu bölümlerden oluşmaktadır : 1. Yanma odası veya hızlı akışkan yatak, 2. Gaz- katı ayırma sistemleri (siklonlar), 3. Katı geri döndürme birimi, 4. Isı değiştirici yüzeyler. Yanma odası genellikle, içinden su dolaşan borularda oluşmakta ve açığa çıkan ısının bir kısmı bu duvarlar vasıtasıyla sistemden çekilmektedir. Sıcak gazların taşıdığı ısı ise tekrar ısıtma, kızdırma, ekomizer ve ön ısıtma bölgeleri gibi çeşitli bölgelerden çekilmektedir. Kömür yanma odasının alt kısmına beslenmektedir. Birincil yanma havası ise alttan dağıtıcı elekten geçerek yanma odasına girmektedir. Yanmanın tamamlanabilmesi için dağıtıcı elekten itibaren belirli yüksekliklerde ikincil 278 hava beslemesi yapılmaktadır. Bu sistemler farklı hidrodinamik özelliklere sahiptirler. Hızlı akışkan, yataklar taneciklerin taşınma hızından büyük hızlarda çalışmaktadır. Yakıt tanecikleri bir taraftan hava ile sürüklenirken bir taraftan da yanmaktadır. Bu nedenle, habbeli akışkan yataklara kıyasla bu sistemlerde hem karışma daha şiddetli hem de ısı ve kütle iletim hızları çok daha yüksek olabilmektedir (Basu ve Fraser, 1991). Taşınan tanecikler bir siklon sisteminde tutularak toplanmakta ve gerektiğinde tekrar yatağa geri beslenmektedir. Siklon sistemi akışkan yatağın içine veya dışına konuşlandırılabilmektedir. Taneciklerin yatakta kalma süresi, gaz hızı, yatak yüksekliği, yataktaki tanecik miktarı ve dolanma hızı gibi faktörlere bağlı olarak değişmektedir. Bu süre habbeli yataklarındakine kıyasla daha uzundur. Sürenin uzaması hem yanma hem de kükürt tutma verimini arttırmaktadır. Yüksek çalışma hızları erozyonu arttırdığından, ısı iletim yüzeyleri aktif yataktan çok, serbest bölgeye konulmakta veya borulu duvarlar vasıtasıyla sistemden ısı çekilmektedir. Atmosferik habbelli akışkan yataklara kıyasla, yakıt esnekliğinin çok daha geniş olması, yanma verimi daha yüksek (genellikle : %97.5 – 99) olması, besleme siteminin daha basit ve esnek olması, SO2’ i tutmak için daha az sorbent (kireç taşı veya dolomit) kullanılması ve NOx yayınımının daha düşük olması gibi üstünlükleri bulunmaktadır. Şekil 9. Hızlı akışkan yataklı yakma sistemi. 279 3.2.4. Akışkan Yataklı Yakma Sistemlerinin Üstünlükleri ve Sorunları Akışkan yataklı yakma sistemlerinin diğer yakma sistemlerine göre bir çok üstünlükleri bulunmaktadır. Bunlar kısaca şu şekilde özetlenebilir : Üstünlükleri : • • Çok değişik nitelikteki kömürleri yüksek verimlerle yakmak mümkündür. Yakıt ile hava arasındaki temas yüzeyi büyük, kütle iletimi katsayıları yüksektir. Bu nedenle yanma verimi yüksektir. • Akışkanlaşmış katı taneciklerle ısı iletim yüzeyleri arasında ısı iletim katsayıları yüksektir. Böylece gerekli ısı iletim yüzeyi ve sistemin boyutları küçülmektedir. • Yatakta tekdüze bir sıcaklık dağılımı gerçekleşmekte ve ısısal gerilimler düşük seviyelerde kalmaktadır. • 1- 10 mm boyutlarında kömür kullanıldığından kömür hazırlama giderleri toz kömür yakma sistemlerine kıyasla daha düşüktür. • Kireçtaşı ve dolomit gibi bol ve ucuz sorbentler kullanılarak SO2’i yayınımı önemli ölçülerde düşürülmektedir. Ek bir kükürt giderme ünitesine gerek yoktur. Bunun yanı sıra, operasyon sıcaklığı düşük olduğundan NOx yayınımı düşük seviyelerde kalmaktadır. Sorunları : • Akışkanlaşma için ek bir güce gereksinim vardır. • Yakıtın aglomerasyonu veya klinkerleşmesi söz konusu olabilmektedir. • Habbeli yataklarda hız ve tanecik boyutu sınırlamaları vardır. • Isı iletim yüzeylerinde hızlı erozyon söz konusu olabilmektedir. 3.3. TOZ KÖMÜR YAKMA SİSTEMLERİ 280 Izgaralı yakma sistemlerinin kapasiteleri, çeşitli nedenlerle sınırlı, kalmaktadır. Çünkü kapasite büyüdükçe ızgaranın boyunun uzatılması gerekmektedir. Büyük ızgaralarda, kömürün ızgara üzerinde düzgün bir şekilde dağıtılması ve ızgara boyunca havanın uygun bir şekilde beslenmesi güçleşmekte, yanmadan ızgaranın altına düşen kömür miktarı artmakta ve ızgarayı temizlemek güçleşmektedir. Bunun yanı sıra bu sistemler, özellikle uçucu madde oranı düşük olan kömürleri etkin bir şekilde yakmaya uygun değildirler. Bu nedenle buhar üretiminin 150 ton/h ’ın üstüne çıktığı endüstriyel uygulamalarda toz kömüryakma sistemleri kullanılmaktadır. Günümüzde yakılan kömürün çok büyük bir bölümü ince toz kömür şeklinde bu sistemler vasıtasıyla yakılmaktadır. Bu sistemler pulvarize kömür yakma sistemleri olarak da bilinmektedir. Toz kömür uygulamamalarının en büyük ve en tipik örnekleri elektrik santralleridir. Dünyadaki elektrik santrallerinin büyük bölümünde toz kömür yakılmaktadır. Ancak son yıllarda akışkan yataklı santraller de devreye alınmaya başlanmıştır. Elektrik santrallerinde buhar üretme kapasitesi 2000 ton/h civarındadır. Toz kömür yakma sistemlerinde, kömür kırma ve öğütme değirmenlerinden geçirilerek mikron mertebesindeki toz haline getirilmektedir. Toz kömür, daha sonra hava ile taşınarak sıvı bir yakıt gibi bir brülör veya memecik vasıtasıyla yanma odasına beslenmekte ve orada yakılmaktadır. Toz kömür yakma uygulamaları iki şekilde gerçekleşebilmektedir : a) Toz kömür – hava karışımı bir brülör vasıtasıyla bir yanma odasına beslenmekte ve burada bir akışkan şeklinde yanmaktadır. b) Toz haldeki kömür, sıvı petrol ürünleri, metanol ve yağ gibi yanabilen sıvı yakıtlarla karıştırılarak bir süspansiyon haline getirilmekte ve yine bir brülör vasıtasıyla bir yanma odasının tepesinden yağmurlama (spreyleme) şeklinde beslenmekte ve yakılmaktadır. Toz kömür yakma sistemlerinin ızgaralı yakma sistemlerine kıyasla şu avantajları bulunmaktadır : • • • • • • Yanma daha yoğun ve yanma verimi daha yüksektir Düşük kaliteli kömürler etkin bir şekilde yakılabilmektedir Tam yanma için gerekli hava fazlası miktarı daha azdır Otomasyona daha uygundurlar Yanma yoğunluğu yüksek olduğundan sıcak su/buhar üretiminde büyük ölçeklere ulaşmak kolaydır Fırın hacimleri daha küçüktür 281 • • Sıvı ve gaz yakıt yakma sitemleri ile kombine bir şekilde çalışabilmektedirler Yakması havası çok yüksek sıcaklıklara kadar ön ısıtılmaya tabii tutulabilir Bu sistemlerden karşılaşılan en önemli problem, külün yaklaşık %80 - 90’nin ince toz halinde olması ve bunları yanma gazlarından uzaklaştırmada karşılaşılan güçlüktür. Geleneksel toz kömür yakma sistemleri, külün sistemde kuru veya ergimiş halde alınmasına bağlı olarak iki grupta toplanmaktadır : 1. Kuru tabanlı toz kömür yakma sistemleri 2. Yaş tabanlı toz kömür yakma sistemleri Kuru tabanlı yakma sistemlerinde kül, doğal haliyle sistemden çekilmektedir. Külün büyük kısmı yanma gazlarıyla birlikte sürüklenmekte ve toz tutma sistemlerinde tutulmaktadır. Yaş tabanlı sistemler, ince uçucu kül problemini ortadan kaldırmak amacıyla geliştirilmiştir. Bu sistemlerde kül ergimiş halde yanma odasının duvarlarından akarak odanın dibinde toplanmakta ve buradan çekilerek soğuk suyun içine dökülmektedirler. Suyla temasa gelen kül katılaşmakta ve istenen büyüklükteki parçalar halinde toplanabilmektedir. Böylece külün, etrafa dağılmadan uzaklaştırılması ve depolanması mümkün olmaktadır. Bu sistemler, kül ergime sıcaklıkları düşük kömürler için uygundurlar. Toz Kömür Hazırlama Toz kömür iki aşamalı bir işlemdir. Birinci aşamada, ocaklardan çıkan iri kömür parçaları bir kömür kırma değirmenine beslenmekte ve burada15 – 30 mm’ e kadar kırılmaktadır. İkinci aşamada ise, kırılan kömürler bir öğütme değirmenine beslenmekte, burada 200–300 mesh’ e kadar öğütülmektedirler. Öğütme sırasında değirmene sıcak hava beslenerek kömür aynı anda da kurutulmaktadır. Kömürün rahatça öğütülebilmesi için, neminin mümkün olduğu kadar düşük olması gerekmektedir. Nem oranı %10’ un üstüne çıktığında kömürün öğütülmesi güçleşmektedir. Değirmenin yanma sistemine yakın olduğu durumlarda, sıcak baca gazları da kurutma için kullanılabilir. Öğütme için kullanılan çeşitli değirmenler bulunmaktadır. Bunlardan en çok kullanılanları : bilyalı değirmenler, çekiçli değirmenler ve silindirli değirmenlerdir. 282 Öğütülen kömür, yanma sisteminin özelliklerine bağlı olarak, ya doğrudan bir brülör vasıtasıyla yanma odasına beslenir veya bir kömür silosunda toplanarak oradan kazan(lar)a beslenir. Kuru toz kömür yakma sistemleri, kömürün kazanlara beslenme şekline göre iki grupta toplanmaktadır. 1. Merkezi beslemeli toz kömür yakma sistemleri, 2. Tekil toz kömür yakma sistemleri. Merkezi sistemlerde öğütülen kömür merkezi bir depoda toplanır ve buradan borular vasıtasıyla kazanlara beslenir. Tekil sistemlerde, isminden de anlaşılacağı gibi, yakma sisteminin kendini besleyen bir kömür öğütme ve kurutma birimi vardır. Burada öğütülen kömür, depolanmadan doğrudan brülör vasıtasıyla yanma odasına/kazana beslenir. Bu sistem basittir ve daha az yer kaplamaktadırlar. Modern işletmelerde bu sistemler kullanılmaktadır. Şekil 10’ da tekil bir toz kömür yakma sistemi şematik olarak görülmektedir (Chattopadhyay, 1995). 3.3.1. KÖMÜR BRÜLÖRLERİ Toz kömür sistemlerinde kömür yanma odasına brülörler vasıtasıyla beslenmektedir. Brülör, yanma odasında da kömürün yanmasını ve alevin şeklini önemli ölçüde etkilemektedir. Kömür toz kömür – hava karışımı şeklinde ve bir sıvı yakıt gibi beslenmektedir. Brülörler yakılan yakıt veya yakıt(lar)ın türüne ve özelliklerine bağlı olarak çok değişik şekillerde yapılmaktadır. Toz kömür brülörleri temel olarak : kömür – birincil hava karışımı ve ikincil hava besleme kanalları, havanın yönünü kontrol eden plaka ve kanatçıklar ve hava giriş odasından (manifoldu) oluşmaktadır. Bütün bu elemanlar bir brülör gövdesi içinde bir araya getirilmektedir. Brülörün hemen ucunda, içinde alevin geçip yanma odasına ulaştığı seramikten veya tuğladan yapılmış bir tünel bulunmaktadır. Bu tünel aynı zamanda alev yatıştırıcı olarak ta görev yapmaktadır. Yakıtın sıvı veya gaz olması durumunda brülöre ayrıca atomizör, pilot ateşleyici, alev detektörü gibi çeşitli cihazlar da eklenebilmektedir. Sıvı ve gaz yakıt brülörleri daha sonraki bölümlerde irdelenecektir. Toz kömür yakma brülörleri başlıca iki grupta toplanmaktadır : 1. Düz akışlı toz kömür brülörleri 2. Türbülansli (girdaplı) toz kömür brülörleri 283 Şekil 10. Tekil toz kömür yakma sistemi. 3.3.1.1. Düz Akışlı Toz Kömür Brülörleri Bu brülörler iç içe yerleştirilmiş eş eksenli borular şeklinde yapılmaktadır. Kömür – birincil hava karışımı iç borunun içinden, ikincil hava ise iki boru arasındaki boşluktan beslenmektedir. Bu iki akım brülörün ucundan karışmakta ve yanma odasına beslenmektedir. Şekil 11a‘ de bir düz akış brülörünün şematik şekli görülmektedir (Chattopadhyay, 1995). Kömür – birincil hava karışımının içinden aktığı borunun kesiti brülörün ucuna doğru küçük bir açı ile gittikçe daralmaktadır. Bu brülörlerde, kömür- birincil hava akımının ikincil hava ile karışması görece zayıf kalmakta ve yanma tam bir etkinlikle gerçekleşememektedir. Bu nedenle tek brülörlerin kapasiteleri sınırlı kalmaktadır. Karışmayı daha etkin bir hale getirmek için birden fazla brülörden oluşmuş bir brülör demedi yanma odasının duvarlarına yerleştirilmektedir, Şekil 11b. Böylece, brülörlerden çıkan jetler bir birleriyle karışmakta ve karışma etkinliğini artırmaktadır. Bu brülörlerin alevleri türbülanslı brülörlerinkine kıyasla daha uzundur. İkincil havanın miktarını değiştirerek alevin boyunu değiştirmek mümkündür, ancak bu değiştirme sınırlı kalmaktadır. Düz akışlı brülörler, linyitler, uçucu madde oranı yüksek kömürler, bitümlü şistler gibi genç ve reaktivitesi yüksek kömürlerin yanması için uygun brülörlerdir. 284 (a) (b) Şekil 11. Düz akışlı toz kömür brülörleri. a) Tek brülör. b) Brülör demedi. 285 3.3.1.2. Türbülanslı Toz Kömür Brülörleri Türbülanslı brülörler de, düz akışlı brülörlerde olduğu gibi, iç içe borulardan oluşmaktadır. Bu brülörlerde hem kömür – birincil hava akımı hem de ikincil hava ve varsa üçüncül hava akımlarına bir dönme veya girdap hareketi kazandırılmaktadır. Böylece bu akımlar çok iyi bir şekilde karışmakta ve brülörün ucunda yoğun bir yanma gerçekleşmektedir. Şekil 12‘ de türbülanslı bir toz kömür brülörü şematik olarak gösterilmiştir (Chattopadhyay, 1995). Türbülans, kanalların içine yerleştirilmiş kanatçıklar vasıtasıyla veya havanın spiral şeklindeki borularla ve açılı olarak kanala beslenmesiyle yaratılabilmektedir. Karışmanın sonucunda oluşan alev brülörün ucundan itibaren çapı gittikçe büyüyen bir koni gibi genişlemektedir. İkincil havanın türbülans şiddeti ayarlanarak alevin şekli kolaylıkla değiştirilebilmektedir. Türbülanstan dolayı alevin içinde yoğun bir yanma gerçekleştiğinden, bu brülörlerin kapasitesi düz akışlı brülörlere kıyasla çok daha yüksektir. Türbülanslı brülörlerin tipik kömür yakma kapasiteleri 1 – 4 kg/s ve ısıl kapasiteleri ise 25 - 100 MW civarındadır. Bu brülörlerde birden fazla yakıt da yakılabilmektedir. Bu tür brülörler çok yakıtlı brülörler ismini almaktadırlar. Daha sonraki bölümlerde bunların üzerinde durulacaktır. Şekil 12. Türbülanslı toz kömür brülörü. 286 4. SIVI YAKIT YAKMA SİSTEMLERİ Günümüzün en önemli enerji kaynaklarından birisi petrol ve türevleridir. Isı enerjisi üretmek amacıyla kullanılan en önemli petrol türevi fuel oil’dir. Fuel oil’den enerji eldesi yakma yöntemiyle elde edilmektedir. Sıvı akar yakıtları yakmak için kullanılan sistemlere sıvı yakıt yakma sistemleri ismi verilmektedir. Sıvı yakıt olarak en çok kullanılan yakıt fuel oil’dır. Bu nedenle burada sıvı yakıt yakma sistemleri olarak daha çok fuel oil yakan sitemler kastedilmektedir. Sıvı yakıtların katı yakıtlara göre, kolay taşınmaları, kolay depolanmaları ve kolay yanmaları gibi avantajları bulunmaktadır. Sıvı yakıtların yanması şu aşamalardan geçerek gerçekleşmektedir : • • • • • Atomizasyon veya damlacıklara dönüştürme Damlacıkların buharlaşması Yakıt buharlarının hava ile karışması Tutuşma Yanmanın sürdürülmesi Sıvı yakıtlar iki şekilde yakılmaktadır : i. Önce buharlaştırılmakta ve sonra yakılmaktadır. Bu yöntem küçük çaplarda ve az kullanılan bir yöntemdir. ii. Yakıt önce küçük damlacıklar haline getirilmekte, yani atomize edilmektedir ve sonra sıcak hava ile karıştırılarak yakılmaktadır. Bu yöntemde buharlaşma ve yanma işlemleri bir arada yürümektedir. Endüstriyel uygulamalarda bu yöntem kullanılmaktadır. Sıvı yakıt yakma sistemleri temel olarak iki ana birimden oluşmaktadır : 1. Brülör, 2. Yanma odası. Bunun yanı sıra yakıtı ısıtma için kullanılan ısıtıcı, pilot ateşleyici, kontrol vanaları ...vs. gibi yardımcı elemanlar da bulunmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda sıcak su ve buhar üretiminde kullanılan sıvı yakıt sistemleri yakıtı atomize ederek yakan sistemlerdir. Bu bölümde bundan sonra sıvı yakıt “fuel oil” anlamında kullanılacaktır. Sıvı yakıt yakma sistemleri başlıca üç grupta toplanmaktadır : 1. 2. 3. Yakıtı doğal haliyle yakan sistemler Yakıtı buharlaştırarak yakan sistemler Yakıtı atomize ederek yakan sistemler 287 4.1. YAKITI DOĞAL HALİYLE YAKAN SIVI YAKIT SİSTEMLERİ Bu sistemlerde sıvı yakıt bir yanma odasına doğal haliyle beslenmekte ve burada tutuşturulmaktadır. Temel olarak yanma odası, yakıt deposu ve yakıt besleme pompasından oluşmaktadırlar. Küçük çaplı uygulamaları vardır. Evlerde kullanılan gaz yağı sobaları ve bazı araba tamir atölyelerinde kullanılmış yağ yakan sobalar bunun tipik örnekleridir. 4.2. YAKITI BUHARLAŞTIRARARAK YAKAN SIVI YAKIT YAKNMA SİSTEMLERİ Bu sistemlerde sıvı yakıt önce ısıtılarak buharlaştırılmakta ve buharlar yanma odasına gönderilerek burada sıcak hava ile karıştırılarak yakılmaktadır. Günümüzde hemen hemen hiç kullanılmamaktadır. 4.3. YAKITI ATOMİZE EDEREK YAKAN SIVI YAKIT SİSTEMLERİ Sıcak su ve buhar üretiminde kullanılan sıvı yakıt yakma sistemleridir. Apartman ölçeğinden elektrik santrallerine kadar değişen geniş bir kapasite aralığında uygulamaları bulunmaktadır. Sıvı yakıt brülörleri temel olarak şu ana elemanlardan oluşmaktadır : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Brülör gövdesi Yakıt pompası Isıtıcı Hava vantilatörü Püskürtme memesi Türbülatör (hava döndürücü) Elektrotlar (ateşleyiciler) Bu brülörler yakıtı atomize etme yöntemine bağlı olarak sınıflandırılabilmektedir. Atomizasyon yakıtın küçük damlacıklar haline getirilmesi olayıdır. Atomize edilen yakıt hava ile karıştırılarak yanma odasında yakılmaktadır. Atomizasyon şekli sistemin etkinliğini etkileyen önemli bir işlemdir. İyi bir yanma sağlamak için yakıt damlacıklarının mümkün olduğu kadar küçük ve homojen boyutlarda olmalıdır. 288 Atomizasyon başlıca üç yöntemle gerçekleştirilmektedir: 1. Buharla atomizasyon : Bu yöntemde fuel oil’i atomize etmek için sıcak ve basınçlı buhar kullanılmaktadır. Buhar jetler halinde fuel oil’in üstüne püskürtülmekte ve fuel oil parçalanmaktadır. 2. Hava ile atomizasyon : Bu yöntemde de fuel oil’ in atomizasyonu aynen buharla atomizasyon yöntemindeki prensiplere göre yapılmaktadır. Ancak burada buhar yerine basınçlı hava kullanılmaktadır. 3. Mekanik atomizasyon : Fuel oil, mekanik bir kuvvet uygulanarak küçük damlacıklara dönüştürülmektedir. Atomizasyonda, yakıt ya mekanik bir yolla küçük çaplı deliklerden (orifizlerden) geçirilmekte veya döner bir yüzey üzerine beslenerek santrifüj kuvvetlerle parçalanmaktadır. Damlacıkların buharlaşması veya gazlaşması gerektiği için sıvı yakıtların hava ile karışmaları, gaz yakıtlara oranla, daha yavaştır. Bu nedenle bu sistemlerde tam yanmanın sağlanabilmesi için daha fazla havaya gereksinim duyulmaktadır ve daha fazla hava fazlası ile çalışılmaktadır. Oluşan alevin şekli, hem kullanılan yakıtın hem de hava ile yakıtın karışma özelliklerine bağlıdır. Uygun yakıt seçilerek ve karışma şiddeti değiştirilerek uzun ve aşamalı olarak ısı yayan veya kısa ve yanma şiddeti yüksek olan alev elde edilebilir. Örneğin, karışmanın şiddetli olması ve viskozitesi düşük bir yakın seçilmesi durumunda alevin boyu kısa olmaktadır. Atomizasyon ile elde edilen fuel oil damlacıklarının boyutunu etkileyen en önemli faktörler yakıtın vizkozitesi, beslenme basıncı ve orifiz çapıdır. Damlacıkların çapı fuel oil’in viskozitesiyle doğru orantılı, beslenme basıncının küp kökü ile ters orantılıdır. Be nedenle, fuel oil kullanılan brülörlerde fuel oil’in belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılarak viskozitesinin düşürülmesi gerekmektedir. Burada sıvı yakıt olarak fuel oil göz önüne alınacaktır. Fuel oil’i yakmak için çok sayıda brülör geliştirilmiştir. Bunlar, üç başlık altında toplamak mümkündür. 1. 2. 3. Blast Brülörler Basınçlı Jet Brülörleri Döner Atomizer Brülörleri 4.3.1. BLAST BRÜLÖRLER 289 Blast brülörler, buhar veya hava kullanılarak yakıtı atomize eden brülörlerdir. Başlıca iki grup altında toplanmaktadırlar : I. İçten karıştırmalı sıvı yakıt brülörleri : Bu brülörlerde yakıtla buhar veya hava brülör sistemi içinde karışmaktadır. Atomizasyon yine brülör sistemi içinde gerçekleşmektedir. II. Dıştan karıştırmalı sıvı yakıt brülörleri : Yakıt ile havanın/buharın karışması ve yakıtın atomizasyonu brülör sisteminin hemen dışında gerçekleşmektedir. 4.3.1.1. Buhar Brülörleri Daha öncede belirtildiği gibi yakıtı atomize etmek için buhar kullanılmaktadır. Yüksek bir kinetik enerjiye sahip olan buhar 400 – 600 kN/m2 (≈ 4 – 6 atm.) basınçla jet halinde sıvı yakıt akımı üzerine püskürtülmekte ve yakıtı çok küçük damlacıklara ayırmaktadır. Damlacıkların büyüklüğü yaklaşık 0.01mm veya daha küçük olabilmektedir. Damlacıklar daha sonra yanma odasına beslenerek orada hava ile karışmakta ve yanmaktadır. Kullanılan buharın basıncına bağlı olarak bu brülörler üç gruba ayrılmaktadırlar. Gruplar ve çalışma basınçlar aşağıda belirtilmiştir : • • • Düşük basınçlı blast brülörler : 105 - 115 kN/m2 (≈1 - 1,15 atm.) Orta basınçlı blast brülörler : 200 - 300 kN/m2 (≈2 - 3 atm.) Yüksek basınçlı blast brülörler : >200 kN/m2 (>2 atm) Buharlı brülörlerde 1 kg fuel oil’i atomize etmek için gerekli olan buhar miktarı 0.3 – 0.5 kg arasında değişmektedir. Şekil 13‘ de buharla çalışan modern bir fuel oil brülörü görülmektedir. Brülör iç içe iki boru şeklindedir. İçteki borudan buhar, dıştakinden ise yakıt akmaktadır. Buhar jet halinde belirli bir açı ile yine ince deliklerden geçmekte olan yakıtın üzerine püskürtülmekte ve onu damlacıklara ayırmaktadır. Bir kompresör veya fan kullanılmadığı için görece ucuzdur. Kapasite oranları 6/1 – 15/1 arasında değişebilmektedir (Corntornth, 1992). Şekil 14‘ de başka bir fuel oil - buhar brülör görülmektedir (Chattopadhyay, 1995). Bu brülörde yakıt iç kanaldan, buhar dış kanaldan akmaktadır. Varganov brülörü olarak da bilinen bu brülörde yakıt çok aşamalı bir atomizasyona uğramaktadır. İçerdeki kanaldan akan yakıt, memeciklerde bir dönme hareketi kazanarak atomizasyon odasına girmekte. Dış kanaldan gelen buharda yine aynı memecik sitemi içinde yakıtla 290 aynı yönde olmak üzere bir dönme hareketi kazanarak odaya girmekte ve yakıtla karışarak onu hem ısıtmakta hem de atomize etmektedir. Bu odayı terk eden yakıt – buhar karışımı tekrar memeciklerden geçerek yanma odasına beslenmekte ve bu geçiş sırasında karışma, daha da gelişmektedir. Şekil 13. Buharla çalışan bir sıvı yakıt brülörü. Şekil 14. Varganov buhar – sıvı yakıt brülörü. 4.3.1.2. Hava Brülörleri Hava brülörleri de, buhar brülörleri gibi kullanılan buharın basıncına göre düşük, orta ve yüksek basınç brülörler olarak isimlendirilebilmektedir. 1 kg fuel oil’i atomize etmek için teorik olarak yaklaşık 14 kg havaya gereksinim bulunmaktadır. Ancak pratikte bu miktar bir az daha yüksektir. Hava kullanılan düşük basınçlı brülörlerde, yanma havasının büyük bölümü veya tümü aynı zamanda atomizasyon havası olarak kullanılmaktadır. Basınç artıkça 291 atomizasyonda kullanılan hava miktarı azalmaktadır. Örneğin orta basınçlarda çalışan brülörlerde yakma için gerekli havanın %10’u ile atomizasyon yapılabilmektedir. Şekil 15’ de düşük ve orta basınçta hava kullanan bir sıvı yakıt brülörü görülmektedir (Corntornth, 1992). Yakıt memeciklerden atomizasyon odasına beslenmekte ve burada değişik açılardan gelen hava jetlerinin etkisiyle dağılmaktadır. Hava basıncının 0.7 – 1 atm. civarındadır. Yanma havasının yaklaşık %1 – 2’si ile atomizasyon gerçekleşebilmektedir. Basınçlı hava sağlamak için kompresör kullanıldığından brülörün maliyeti yüksektir. Basınç yükseldikçe maliyet de artmaktadır. Kabuk boru türü buhar kazanları; özellikle küçük çapta olanları açısından orta basınçlı hava brülörleri uygun bir seçenek oluşturmaktadır. Çünkü, orta basınçlı hava brülörlerinin ısı üretimleri yüksek buna karşılık bacadan atılan kirletici gaz miktarları azdır. Düşük basınçlı hava brülörlerinde 0.060 atm. civarındaki basınçlı hava kullanılmaktadır. Atomizasyon için kullanılan hava tüm yakma havasının yaklaşık %15 – 25 kadardır. Bu brülörlerin endüstriyel uygulamaları çok fazla değildir. Şekil 15. Düşük ve orta basınçlı hava brülörü. 4.3.2. BASINÇLI JET BRÜLÖRLERİ Basınçlı jet veya mekanik basınçlı brülörler olarak bilinen bu brülörlerde yakıt yüksek basınç altında küçük çaplı deliklerden veya memeciklerden geçirilerek küçük damlacıklar haline dönüştürülmektedir. Yakıt 2500 – 4500 kN/m2 ( 25 – 45 atm.) ile 292 püskürtülmektedir. Yakıt spiral şeklindeki borucuklarla memeciklere ulaşmakta ve bir dönme hareketi kazanarak memecikleri terk etmektedir. Şekil 16’ da böyle bir brülör şematik olarak görülmektedir (Chattopadhyay, 1995). Spiral kanallardaki eksenel ve teğetsel hızlara bağlı olarak, yakıt memecikleri terk ettikten sonra belirli bir dereceyle genişleyerek hava ile temasa gelmekte ve dağılmaktadır. Yakıtın, viskozitesi, spiral kanalların geometrisi ve yakıtın basıncı atomizasyonun derecesini ve damlacıkların çapını etkilemektedir. Şekil 16. Mekanik basınçlı sıvı yakıt brülörü. 4.3.3. DÖNER BRÜLÖRLER Basınçlı brülörlerin bir diğer tipi döner brülörlerdir. Bu brülörlerde yakıt çapı gittikçe büyüyen koni şeklindeki döner bir kabın iç yüzeyine beslenmekte ve santrifüj kuvvetle yardımıyla parçalanmaktadır. Şekil 17‘ de döner bir brülör görülmektedir. Belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılmış yakıt, merkezi bir boru vasıtasıyla döner kabın yüzeyine beslendikten sonra, ince bir tabaka halinde koninin ucuna doğru hareket etmekte ve buraya ulaştıktan sonra ince tanecikler halinde dağılmaktadır. Yüzeyin pürüzsüz olması nedeniyle atomizasyon tekdüze bir şekilde gerçekleşir. Kap, 200 – 350 kN/m2 (≈2–3.5 atm) basınçtaki hava tarafından tahrik edilen bir türbin vasıtasıyla döndürülmektedir. Yanma havasının % 15’ i kadar olan bu hava da yakıtın üstüne püskürtülmekte ve onun sürüklenmesine ve dağılmasına yardım etmektedir. Bu brülörlerin, diğer brülörlere kıyasla, daha iyi ve daha tekdüze bir atomizasyon sağlaması, yakıtın viskozitesine daha az duyarlı olma, ve tıkanmanın daha düşük seviyelerde kalması gibi avantajları bulunmaktadır. Karşılaşılan en önemli sorun, alevin etkisi ile yakıtın ısınması ve gazlaşması sonucunda ortaya çıkan karbon taneciklerinin yüzey üzerinde birikmesi ve yüzeyin pürüzsüzlüğünü bozmasıdır. 293 Yüzeyin pürüzlenmesi , akışın ve atomizasyon kalitesinin bozulmasına neden olmaktadır. Bu brülörlerde kapasite oran 10/1 civarındadır (Chattopadhyay, 1995 ). Şekil 17. Döner sıvı yakıt brülörü. 5. GAZ YAKIT YAKMA SİSTEMLERİ Gaz yakıt yakma sistemleri, doğal gaz, LPG, şehir gazı....gibi gaz yakıtları yakmak amacıyla kullanılan sistemlerdir. Bu yakıtlar, sıvı yakıtların tersine, buharlaştırma veya atomizasyon gibi bir ön hazırlık işlemi gerektirmeyen ve hava ile kolayca karışabilen yakıtlardır. Bu nedenle, diğer yakma sistemlerine kıyasla, gaz yakma sistemleri basit sistemlerdir. Yanmanın başlatılması, sürdürülmesi ve kontrol edilmesi kolaydır. Etkin bir yanma sağlamak için yakıt ve havanın iyi bir şekilde karışması yeterlidir. Günümüzde bütün dünyada olduğu gibi, Türkiye’de de doğal gaz kullanımı her geçen gün artmaktadır. Bu metin çerçevesinde daha çok doğal gaz yakma sistemleri üzerinde durulacaktır. Ancak bu sistemler, ufak bazı değişiklikler yapılarak LPG için de kullanılabilmektedir. Günümüzde geliştirilmiş çok değişik gaz brülörleri bulunmaktadır. Bunları kapasiteleri de çok geniş bir aralıkta değişmektedir. En basit gaz yakma sistemi pilot alev sağlayan düzenekler ve bunzen bekleridir. Buna karşın, sıcak su ve buhar üretmek için kullanılan ve ısıl kapasiteleri 60 MW’a varan endüstriyel yakma sistemleri bulunmaktadır. Doğal gaz santrallerinde kullanılan sistemler bunun tipik örnekleridir. 294 Gaz yakma sistemleri temel olarak bir brülör ve bir yanma odasından oluşmaktadır. Yanma odaları genellikle basit ve benzer tasarımlara sahiptir. Tüm sistemin genel performansını etkileyen en önemli birim brülördür. Gaz ve havanın karışması genellikle ya brülörün içinde veya brülör sisteminin dışında ancak hemen ucunda gerçekleşmektedir. Burada yanma odasından çok, brülörler üzerinde durulacaktır. Doğal gaz brülörleri değişik şekillerde sınıflandırılmaktadır. Bunları şu ana başlıklar altında toplamak mümkündür (Corntornth, 1992). 1. 2. 3. 4. 5. Doğal çekişli brülörler Dıştan karıştırmalı brülörler İçten karıştırmalı brülörler Reküperatif ve rejeneratif brülörler Radyan brülörler. 5.1. DOĞAL ÇEKİŞLİ GAZ BRÜLÖRLERİ Bunlar son derece basit yakma sistemleridir ve ısı gereksiniminin düşük olduğu uygulamalar için kullanılmaktadır. Bunzen beki veya evlerde kullanılan doğal gazlı ocaklar bunların tipik örnekleridir. Bu sistemlerde gaz yakıt bir delikten veya memeden yanma odasına veya ortamına beslenmekte ve burada hava ile doğal bir şekilde karışarak yanmaktadır. Gazın debisi değiştirilerek alevin boyu ve üretilen ısı miktarı ayarlanabilmektedir. Şekil 18’de doğal çekişli bir gaz yakma sistemi görülmektedir (Corntornth, 1992). Bu sistemde gaz ortak bir kanaldan üstünde çok sayıda delik veya değişik şekillere sahip memecik bulunan kanalların içine beslenmektedir. Delikleri/memecikleri terk eden gaz ortam havası ile karışarak yanmaktadır. 5.2. DIŞTAN KARIŞTIRMALI GAZ BRÜLÖRLERİ Bu sistemlerde, tıpkı dıştan karıştırmalı sıvı yakıt brülörlerinde olduğu gibi, gaz ve yakıt ayrı ayrı kanallarda yanma odasına beslenmekte, ve burada karışma ve yanma aynı anda ve paralel bir şekilde gerçekleşmektedir. Yani, yakıt ve havanın karışması brülör sisteminin dışında gerçekleşmektedir. Bu brülörler, hava ve gazın karışma şekline bağlı olarak kendi aralarında iki grupta toplanmaktadır : i. difüzyon alevli brülörler, ii. türbülanslı brülörler. 295 Şekil 18. Doğal çekişli gaz yakıt yakma sistemi. Difüzyon alevli brülörlerde, hava ve gaz herhangi bir döndürme hareketine tabi tutulmadan yanma odasına beslenmekte ve buradaki karışma molekülsel hareketler vasıtasıyla gerçekleşmektedir. Bu sistemlerin en büyük özelliği, alevin ışıltılı bir şekilde yanmasıdır. Brülörün ucunu terk eden gaz, bu bölgedeki hava miktarının yeterli olmaması nedeniyle, biraz ötedeki alev tarafından ısıtılarak gazlaştırılmaktadır. Gazlaştırma sonrasında ince karbon tanecikleri oluşmakta ve brülörün ucunda is şeklinde birikmektedir. Karbon taneciklerinin alevin sınırlarına ulaşıp burada yanmaları sonucu alev sarı bir renk almaktadır. Difüzyon brülörlerinin şu avantajları bulunmaktadır : Gazın geri tepmesi söz konusu değildir, düşük ısıl değerlere sahip gazları büyük miktarlarda yakmak mümkündür, gaz ve/veya hava ön ısıtmaya tabı tutularak yüksek yanma verimlerine ve yüksek alev sıcaklıklarına ulaşmak mümkündür, yanma sesizdir, yakıtın kalitesinin değişmesi brülörün çalışmasını çok fazla etkilememektedir, gazın ve havanın ayarlama esnekliği vardır, gaz düşük basınçlarda (0.0011 atm) beslendiğinden maliyetleri daha ucuzdur. Bu yakma sistemleri daha çok şehir gazının kullanıldığı dönemlerde yaygın olarak kullanılmıştır. Şehir gazının yerini doğal gaza terk ettiği günümüzde ise bu yakma sitemleri çok fazla kullanılmamaktadır. 296 Türbülansli dıştan karıştırmalı gaz brülörlerinde yanma havası brülörde bir girdap hareketi kazandıktan sonra brülörün ucunda gazla karışmaktadır. Böylece daha etkin bir karışma ve yanma sağlanmış olmaktadır. Bu brülörlerde girdap şiddeti ve hava miktarı ayarlanarak alevin şeklini değiştirmek mümkündür. Türbülanslı gaz brülörlerinde alevin boyu genellikle difüzyon brülörlerine kıyasla daha kısadır. Girdap yaratmak için değişik tasarımlar kullanılmaktadır. Dıştan karıştırmalı brülörler gaz besleme basınçlarına göre atmosferik veya basınçlı olabilmektedirler. Ancak temel prensipleri değişmemektedir. 5.3 . İÇTEN KARIŞTIRMALI GAZ BRÜLÖRLERİ Memede karıştırmalı gaz brülörleri olarak da isimlendirilen bu brülörlerde gaz ve hava brülör sistemi içinde karışmakta ve ondan sonra yanma odasına gönderilmektedir. Endüstride yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Gaz brülöre bir veya birden fazla noktadan beslenebilmektedir. Besleme şekline bağlı olarak brülörler iki gruba ayrılmaktadır : i. Tek beslemeli brülörler, ii. Çok beslemeli brülörler. Ancak brülörlerin temel prensipleri değişmemektedir. Şekil 19‘ da içten karışmalı brülörlerin şematik şekli görülmektedir (Chattopadhyay, 1995). Bu brülörlerde gaz hava akımı içine bir veya birden fazla noktadan ve değişik açılarla beslenmektedir. Bu sistemler girdapsız sistemlerdir. Şekil 20’ de ise girdaplı/türbülanslı bir sistem görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi, dış kanalda akan hava bir dönme hareket kazanmakta ve brülörün ucunda gaz akımı ile karışmaktadır. Girdap hareketi, kanaldaki spiral şeklindeki kanallar vasıtasıyla yaratılmaktadır (Chattopadhyay, 1995). 297 (b) Şekil 19. Tek ve çok beslemeli içten karıştırmalı gaz brülörleri. a) Tek beslemeli, b) Çok beslemeli İçten karıştırmalı brülörlerin en önemli tiplerden birisi de(memecik (nozul ) karıştırmalı brülörlerdir. Tünel karıştırmalı brülörler olarak da bilinen bu brülörler endüstriyel ölçekte sıcak su, buhar ve elektrik üretmek amacıyla en çok kullanılan brülör tipleridir. Bu brülörlerde hava ve gaz ayrı ayrı kanallardan brülöre beslenmekte 298 ve memeciklere girmeden önce karışmamaktadır. Her iki akışkan akımının akış şekli kanallarda değişik mekanizmalarla kontrol edilebilmektedir. Bu yolla gayet etkin bir karışıma ve şiddetli bir yanma sağlanabilmektedir. Bu nedenle, özellikle yüksek sıcaklıklar gerektiren uygulamalar için çok uygun sistemlerdir. Bu brülör sistemlerinde brülörün ucu seramik bir tünelin içinde bulunmaktadır. Memeciklerde gaz ve havanın karışması ile yanma olayları paralel bir şekilde yürümektedir. Şiddetli karışmadan dolayı, karışma noktasından itibaren çok kısa bir mesafe içinde büyük bir miktarda enerji üretilebilmektedir. Böylece, difüzyon tipi aleve kıyasla enerji yoğunluğu çok daha yüksek olan bir alev elde edilmektedir. Yine şiddetli karışmadan dolayı, stokiyometrik orana yakın bir hava miktarı ile yanmayı sürdürmek mümkün olmakta ve böylece gereksiz yere havanın ısıtılmasından kaçınıldığı için enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Ancak brülörün ucunda gerçekleşen yoğun yanma nedeniyle, buraya yakın olan bölgelerde ortaya çıkan yüksek sıcaklıkların malzemenin ömrü ve işletme açısından sorunlara neden olabileceği gözden kaçırılmamalıdır. Bununla birlik bu brülörler çok kullanışlı brülörlerdir. Daha düşük sıcaklık uygulamaları için, gaz miktarı artırılarak daha yumuşak ve uzun bir alev elde etmek mümkündür. Bu brülörlerin sahip olduğu diğer avantajlar şunlardır : hava besleme basıncı düşük tutulabilmektedir, havanın ön ısıtılması söz konusu olabilmektedir, alev kararlılığı çok gelişmiş durumdadır, yüksek hava fazlası ile çalışma özelliğine sahiptirler, çeşitli gazları aynı brülörde kullanmak mümkündür. Şekil 21‘ de memecikte karıştırmalı bir brülörün ana hatları şematik bir şekilde görülmektedir (Corntornth, 1992). Bir kontrol vanası kullanılarak gazın miktarı değiştirilebilmektedir. Havanın ön ısıtmaya tabı tutulması durumunda aynı debi için memecik çapının artırılması gerekmektedir. Memecikte karıştırmalı brülörler, hava ve gazın karıştırma şekli temel alınarak kabaca iki grupta toplanmaktadır : 1. Hava veya gazın girdaplı olduğu brülörler : En yaygın memecik tipi brülörlerdir ve büyük kapasiteli uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Şekil 22‘ de böyle bir brülör görülmektedir (Corntornth, 1992). Brülör temel olarak, memecikten çıkan havanın dönme hareketi kazandırılmış hava ile karıştırılması esasına dayanmaktadır. Hava kanalına spiral kanatçıklar yerleştirilerek havaya dönme hareketi kazandırılmaktadır. Havanın dönme şiddeti ayarlanarak hem alevin şekli hem de ısısal yük değiştirilebilmektedir. 299 Şekil 20. Girdaplı içten karıştırmalı gaz brülörleri. 2. Düz akışlı memecik (nozul) brülörler : Bu brülörlerde hava ve gaz iç içe kanallardan ayrı ayrı akmaktadır. Gaz genellikle içerdeki kanaldan akmaktadır. Hava ve gaz memeciklerden geçerek dağılmakta ve karışmaktadır. Şekil 23’ de bir düz akışlı memecik tipi brülör görülmektedir. Şekil 21. Memecikte karıştırmalı brülör. 300 Şekil 22. Türbülanslı memecik tipi brülör. Şekil 23. Düz akışlı memecik tipi brülör. Brülörün ucunun yerleştirildiği kanallar çeşitli malzemelerden yapılabilmektedir. 850oC’ a kadar olan sıcaklıklar için çeşitli çelik alaşımları kullanılmaktadır. Daha yüksek sıcaklıklar için ise refrakter malzemeler kullanılmaktadır. Seramik fırınları ve yüksek sıcaklık kavurma fırınlarında kullanılan brülörler için en uygun malzeme silikon karbürdür. 301 5.4. REKÜPERATİF ve REJENERATİF GAZ BRÜLÖRLERİ Reküperatif ve rejeneratif gaz yakma sistemlerde yanma havası sıcak baca gazları kullanılarak ön ısıtılmaya tabi tutulmaktadır. Böylece önemli ölçülerde enerji tasarrufu sağlanmış olmaktadır. Bu brülörlerde, brülöre beslenen hava 600oC’ a kadar ısıtılmaktadır . Böylece yüksek alev sıcaklıklarına ulaşmak mümkün olmaktadır. Reküperatif ve rejeneratif brülörler, daha çok sürekli çalışan büyük ölçekli endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır. Bunun örneklerinden bir tanesi cam ergitme fırınlarıdır. Ancak bu sistemlerin tesise başlangıçta monte edilmesi gerekmektedir. Sonradan var olan brülör sistemi ile yer değiştirmesi oldukça zordur. Laboratuvar çalışmaları bu yolla yanma gazlarındaki enerjinin %90 oranında ger kazanılabileceğini göstermektedir. Şekil 24‘ de reküperatif bir gaz brülörü görülmektedir. Sıcak yanma gazları yanma havasının ters yönünde kanala girmekte ve ısısını bıraktıktan sonra kanalı terk etmektedir. Isı değiştirici korozyona ve sıcaklığa dayanıklı nikel–krom çeliğinden yapılmıştır. Brülör fırın duvarına monte edilebilmekte ve geleneksel baca reküperatör tipi ısı değiştiricilerin onda biri kadar yer kaplamaktadır. Temel olarak, doğal gaz için tasarlanmışlardır ancak fuel oil için de kullanılabilmektedirler. Isıtılan yakma havası brülörün ucundaki memecik vasıtasıyla gazla karışmaktadır. Alev, bir seramik tünel veya duvar sistemi vasıtasıyla kararlı hale getirilmektedir. Reküperatif brülörlerin 60 – 900 kW kapasitelerde ticari uygulamaları bulunmaktadır. Bu brülörler, 1400 oC’ a varan sıcak baca gazlarını kullanmaya ve 600 oC’ a kadar ön ısıtma gerçekleştirmeye elverişli bulunmaktadır. Reküperatif brülörler vasıtasıyla %30 oranın da enerji tasarrufu elde edilebilmektedir. Ancak hava/yakıt oranının iyi kontrol edilmesi ve sıcak gazların fırın içinde etkin bir şekilde dolanmalarıının sağlanması yoluyla bu oranı daha da yukarıya çekmek mümkündür. Değişik brülör tasarımı tasarımları geliştirilmiştir. Bu brülörlerde yüksek ve düşük hızlarda çalışan brülör tipleri bulunmaktadır. 302 Şekil 24. Reküperatif gaz brülörü Rejeneratif gaz brülörlerinde, sıcak yanma gazlarındaki enerji, seramik bilyalarla dolu sabit bir yatak kullanılarak geri kazanılmaktadır. Şekil 25‘ de böyle bir gaz yakma sistemi görülmektedir. Bu sistem iki brülörden oluşmaktadır ve her brülörün bir rejeneratör kutusu bulunmaktadır. Bu kutuların içi geniş yüzey alanlarına sahip seramik bir malzeme ile doludur. Brülörler, sırayla birkaç dakika süre ile ateşleme yapmakta ve ortaya çıkan yanma gazları diğer brülörün yanma tünelinden geçmektedir. Sıcak gazlar rejeneratöre girerek, buradaki seramik malzemeyi hemen hemen gazların fırını terk etme sıcaklığına kadar ısıtmaktadır. Daha sonra gaz kesilmekte ve seramik yataktan yanma havası geçirilerek ısıtılmakta ve ilgili brülöre beslenmektedir. Rejeneratörün performansı, büyük ölçüde kullanılan seramik bilyaların ısıl özelliklerine bağlıdır. Bu sistemlerle ilgili olarak yapılan çalışmalar daha çok bu özel seramik malzemelerin özelliklerinin geliştirilmesine yönelik olmuştur. Isı geri kazanmak amacıyla kullanılan seramik malzemelerin büyük yüzey alanlarına ve yüksek konveksiyon ısı aktarım katsayılarına sahip olmaları nedeniyle etkin ve küçük 303 boyutlarda rejeneratör tasarımları geliştirilmiş bulunmaktadır. Kuramsal olarak bu sistemlerde, yanma gazlarının taşıdığı enerjinin %90’nını geri kazanmak mümkündür. Böylece yakma havasının 450 oC’ a kadar ısıtmak mümkün olmaktadır. Seramik dolgu malzemesi çıkarıp temizlenebildiği ve korozyona dayanıklı olduğu için, yanma gazlarının toz içermesi veya korozif olması önemli bir sakınca yaratmamaktadır. Rejeneratördeki basınç kayıplarını yenmek için bir fan kullanmak gerekmektedir. Rejeneratör çıkışında yanma gazlarının sıcaklığı hayli düşük seviyelere indiği için normal oda sıcaklıklarında çalışan bir fan kullanılabilir. Bu brülörlerde gaz ve havanın brülöre besleme basıncı, sırasıyla,0.005 ve 0.037.5 atm. civarındadır. Şekil 26‘ da rejeneratif brülörlerde sağlanan enerji tasarrufunun yanma havasının ön ısınma sıcaklığı ile değişimi görülmektedir. Görüldüğü gibi, havanın 400 oC’ a ısıtılması durumunda sağlanan yakıt tasarrufu %30 civarındadır. Ön ısıtma sıcaklığı arttıkça bu oran daha da yükselebilmektedir. Şekil 25. Rejeneratif gaz brülörü. 304 Şekil 26. Rejeneratif brülörlerde geri kazanılan ısı miktarının ön ısıtma değişmesi. sıcaklığı ile 6. ÇOK YAKITLI BRÜLÖRLER Endüstriyel işletmelerde birden fazla yakıt seçeneğinin bulunması üretimin aksamaması açından büyük önem taşımaktadır. Böylece yakıtlardan birinin sağlanmasında bir aksama olduğu veya istenen özellikleri sağlamadığı durumlarda ikinci yakıt devreye alınabilmektedir. Bu gereksinimden dolayı çok yakıtlı brülörler geliştirilmiş bulunmaktadır. Çok yakıtlı brülörler, sıvı yakıt brülörleri temel alınarak geliştirilmişlerdir. Temel tasarın özellikleri de bu brülörlerinkine benzemektedir. Çift yakıtlı brülörler katı, sıvı ve gaz yakıtlardan herhangi ikisini bazen üçünü de ayrı ayrı veya birlikte yakabilmektedir. Uygulamadan en fazla kullanılanlar, doğal gaz – fuel oil, fuel oil – kömür ikili yakıtları kullanan yakıt brülörleridir. Doğal gaz – kömür brülörleri daha az sayıda olmakla birlikte kullanılmaktadır. Bu tip brülörlerin işletilmesinde karşılaşılan başlıca sorunlar, yakıtların özelliklerindeki değişmelerden dolayı yakıt/hava oranının ve yanma kalitesinin kontrol edilmesinde karşılaşılan güçlüklerdir. Çok yakıtlı bir brülör, temel olarak sıvı yakıt brülörlerine benzemektedirler. Sıvı yakıtın yanı sıra, ikinci yakıt ve hava kanalları ile havaya döndürme hareketli kazandıran kanatçıklar bulunmaktadır. Yine brülör ucunun içine yerleştirildiği bir 305 yanma kanalı bulunmaktadır. Ek donanım olarak pilot ateşleyici, alev detektörü, yakıtların besleme debilerini ayarlayan vanalar...v.s. bu sistemlerde de bulunmaktadır. Çok Yakıtlı Brülör Tipleri Çoklu yakıt brülörleri yakıtları tek tek veya aynı anda yakma özelliklerine bağlı olarak üç grupta toplanmaktadır : 1. Birden fazla yakıtı aynı anda yakabilen sistemler (Gaz ve Fuel oil) 2. Birden fazla yakıtı aynı anda veya ayrı ayrı yakabilen sistemler (Gaz ve/veya fuel oil, , gaz ve/veya kömür) 3. Yakıtları ayrı ayrı yakabilen ancak aynı anda yakamayan sistemler (Gaz veya fuel oil, gaz veya kömür) Aşağıda bunların bazı örnekleri incelenmiştir. Şekil 27‘ de gaz yakıt ve fuel oil’ in ayrı ayrı veya birlikte yakılabildiği çoklu bir yakıt brülörü şematik olarak gösterilmiştir (Corntornth, 1992) . Brülör temel olarak, merkezine sıvı yakıt atomizörü yerleştirilmiş bir tünel – karıştırmalı gaz brülörüdür. Sıvı yakıtın atomizasyonu basınçlı hava kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Yakıt(lar) ve hava eksenel olarak karışmaktadır. En iç kanaldan fuel oil, onun dışındaki kanalda gaz ve en dış kanalda ise hava beslenmektedir. Ek karışma sağlamak için hava ve gaz yakıt ara yüzeyinde orifizler kullanılmıştır. Böylece alev kararlılığı da sağlanmış olmaktadır. Şekil 28‘ de görülen çoklu yakıt brülöründe yine gaz ve fuel oil kullanılmaktadır. Bu brülörde, temas yüzeyini artırmak ve daha iyi bir karışma sağlamak amacıyla, bu kez hava yerine gaz bir çok orifiz kullanılarak dağıtılmış ve hava ile temasa getirilmiştir. Fuel oil de üzerinde bir çok memecik ve spiral kanatçığın bulunduğu bir atomizer vasıtasıyla atomize edilmekte ve beslenmektedir. Yanmanın şiddeti, hava ve gaz şiddeti ayarlanarak ve iki akım arasındaki temas yüzeyi artırılarak değiştirilebilmektedir. Temas yüzeyinin artırılması ve hızların yükseltilmesi yoluyla kısa ve yüksek sıcaklığa sahip bir alev, bunun tersini yaparak daha uzun ve yanma şiddeti daha düşük bir alev elde edilebilir. Toz kömür yakma sistemleri ile ilgili bölümde daha önce incelenen ve Şekil 12‘ de gösterilen brülör aynı zamanda bir çok yakıtlı brülör olarak da kullanılabilmektedir. 306 Bu brülörlerde kömür ve fuel oil beraber yakılabilmektedir. (Chattopadhyay, 1995). İç içe üç kanaldan oluşan brülörde fuel oil iç kanaldan, toz halindeki kömür ise orta kanaldan hava ile sürüklenerek beslenmektedir. Bu iki yakıt , döndürme hareketi kazandırılmış ve en dış kanallardan beslenen hava ile brülörün ucunda karışmaktadır. Hava ve yakıtlar şiddetli bir girdap/türbülans hareket ile karışmakta ve bunun sonucunda gittikçe genişleyen bir koni şeklinde bir alev oluşmaktadır. En dış kanaldan beslenen yakıt aynı zamanda ikincil hava görevi yapmaktadır ve hızı 16 –25 m/s civarındadır. Bunların kapasitesi 25 – 100 MW arasında değişmektedir. Şekil 27. Eksenel memecikler taşıyan çok yakıtlı brülör. Şekil 28. Çoklu gaz memeciği taşıyan eksenel girdaplı çoklu yakıt brülörü. 307 Şekil 29‘ da ise birden fazla yakıtı aynı anda veya ayrı ayrı yakan bir brülör görülmektedir. Bu brülörlerde herhangi iki yakıt kullanılabilmekte ve ikincil veya üçüncül hava olarak kullanılan havaya döndürme hareketi kazandırılabilmektedir. Büyük ölçekli sıcak su ve buhar üretimi için kullanılmaktadırlar (Chattopadhyay, 1995). Şekil 29. Birden fazla yakıtı aynı anda ve ayrı ayrı yakan çok yakıtlı brülör. 7. BRÜLÖRLERİN PERFORMANSINI ETKİLEYEN ETKENLER Yakma sistemlerinin genel etkinliği, tasarımlarının yanı sıra işletme koşulları tarafından da etkilenmektedir. Bu nedenle yakma sisteminden istenen verimin alınabilmesi için işletme koşullarının uygun bir şekilde ayarlanmasına çok dikkat etmek gerekmektedir . Bacadan isin veya dumanın çıkması ise kötü bir yanmanın işaretidir. Şekil 30‘ da gaz yakıtlar yakan çeşitli yakma sistemlerinde hava fazlalık oranı ile karbon mono oksit (CO) arasındaki ilişki gösterilmektedir (Corntornth, 1992). Görüldüğü gibi hava fazlalık oranı %5’in altına düştüğünde CO miktarı hızla artmaktadır. Yanı bu oranın altında, tam yanma gerçekleşmemekte ve yanma kalitesi bozulmaktadır. 308 Şekil 31‘ de fuel oil (FO) yakılan yakma sistemlerinde yakıt kaybının hava fazlalık oranıyla değişimi görülmektedir. Yakıt kayıpları baca gazlarının içermiş olduğu is, yanmamış partiküler madde ve yanabilir gazlar yoluyla gerçekleşebilmektedir. Bu kayıpların tümü de hava fazlalık oranının azalmasıyla artmaktadır. Hava fazlalık oranı %4 –5’ in altına düştüğü zaman yakıt kayıplarının hızla arttığı dikkati çekmektedir (Corntornth, 1992). Şekil 30. Gaz yakıt yakma sistemlerinde baca gazlarındaki karbon mono oksit oranının hava fazlalık oranı ile değişmesi. 309 Şekil 31. Fuel oil yakan yakma sistemlerinde baca gazlarıyla kaybolan yakıt miktarının hava fazlalık oranı ile değişmesi. Gerek yakıt kaybı – hava fazlalığı ilişkisi ve gerekse CO – hava fazlalığı ilişkisi kaliteli ve etkin bir yanma sağlanabilmesi için yakıt/hava oranının uygun bir şekilde ayarlanmasının çok büyük önem taşıdığını ortaya koymaktadır. Gaz yakıt yakma sistemlerinde hava fazlalığı oranı genellikle %4 – 20, sıvı yakıt yakma sistemlerinde ise bu oran %10 - 30’ civarındadır. Kömür gibi katı yakıtlar için hava fazlalık oranı % 30’ un üstüne çıkmaktadır. Sıvı ve katı yakıtlarda hava fazlalık oranının artması bu yakıtların gazlara kıyasla hava ile daha zor karışmalarından kaynaklanmaktadır. Yakıtlar için gerekli hava fazlalık oranının farklı olması, çok yakıtlı brülörlerde sorun yaratabilmektedir. Örneğin doğal gaz (DG) ve Fuel oil (FO) yakan bir brülörde, hava fazlası DG’ a göre ayarlanabilir. Ancak bu durumda FO yakıldığında hava miktarının yetersiz olması söz konusu olabilir. Tersi bir durumda, yani hava miktarı FO’ a göre ayarlanırsa bu kez DG yakıldığında hava gereğinden fazla beslenmiş olur ve baca gazları ile kaybı olan ısı miktarı artar. Bu problemin önüne geçmek için, çok yakıtlı yakma sistemlerini, her yakıta göre hava miktarını otomatik olarak ayarlayabilen otomatik kontrol donanımlarıyla donatılması gerekmektedir. Yanma verimi açısından aynı derecede önemli olan diğer bir olay da havanın sisteme beslenme şekli ve yakıt ile havanın karışması işlemidir. Karışma olayı, yakma 310 sisteminin veya brülörün tasarımı ile ilintili bir olaydır. Daha önceki bölümlerde de tartışıldığı gibi, hava ve yakıtın iyi bir şekilde karışması için havaya bir dönme hareketi/türbülans kazandırılarak brülöre beslenmektedir. Bu tip brülörlerde, yakıt tanecikleri veya damlacıkları da aynı yolu izleyerek hareket ettikleri için çok iyi bir karışma gerçekleşmektedir. Yakıt ve havanın, alevin merkezinde yeterli oksijen olacak şekilde tekdüze ve etkin bir şekilde karışması önemlidir. Aksı taktirde özellikle FO yakan brülörlerde, oksijence fakir alan kalan alev bölgelerinde oluşan yakıt damlacıklarını yakmak oldukça güçtür. Bu da yanma veriminin düşmesine neden olmaktadır. Kaliteli bir yanmanın gerçekleşip gerçekleşmediği, yanma gazlarının görünümünden ve bileşiminden anlaşılabilir. İyi bir yanmanın süre geldiği durumlarda yanma gazları issiz ve dumansızdır. Gazlar minimum oranlarda karbon mono oksit (CO) ve hava fazlası (oksijen) içermektedir. Yine bu koşullarda, baca gazlarıyla kaybı olan enerji miktarı da en alt düzeyde kalmaktadır. FO yakan sistemlerde karşılaşılan bir sorunda is oluşumudur. İs, alevin yanmasını tamamlamadan önce soğumasından kaynaklanmaktadır. Bunun önlenebilmesi için alevin, kazan/fırın duvarlarıyla veya diğer soğuk yüzeylerle temas gelerek soğuması önlenmelidir. Brülörlerin verimini etkileyen önemli işletme parametreleri ve bunların etkilediği konular Tablo 3 ‘de özetlenmiştir. 8. BRÜLÖRLERDE ALEVİN ŞEKLİ VE KAPASİTE ORANI Brülörlerde alevin boyu ve şekli, yakıtın özelliklerinden, kullanılan hava miktarından ve yakıt ile havanın karışma şeklinden etkilenmektedir. Pratikte brülörde alevin şekli daha çok birincil hava miktarı (basıncı) değiştirilerek ayarlanmaktadır. Karışma şiddeti ve karışmanın basıncı arttıkça alevin eni büyümektedir. Buna karşın yakıt miktarı sabit tutulup birincil hava miktarının artırılması yoluyla alevin boyu kısaltılabilmektedir. 311 Tablo 3. Sıvı ve gaz yakma sistemlerinde önemli işletme koşulları. İşletme parametreleri Etkiledikleri konular 1.Yakıt/hava oranı • Yanma verimi • Yakıt tüketimi • Baca gazı yayınımları • Alev kararlılığı 2.Yakıt ve havanın • Yanma verimi karışması • Yakıt tüketimi • Baca gazı yayınımları • Alev kararlılığı ve şekli • Gürültü 3. Kontrol • Karışma etkinliği • Yanma verimi • Yakıt tüketimi • Baca gazı yayınımları • Alev kararlılığı ve şekli • Gürültü • İş gücü Brülör tasarımı alevin şekillenmesinde birinci derecede rol oynayan bir parametredir. Çünkü hava ve yakıtın beslenme ve karışma şekli brülörün tasarım özelliklerine göre değişmektedir. Yüksek hızlarda ve şiddetli türbülans koşullarında gerçekleşen karışma sonucunda kısa ve enerji yoğun bir alev elde edilmektedir. Buna karşılık, düşük hızlarda ve düşük türbülans dereceleriyle gerçekleşen karıma sonucunda oluşan alev daha uzun ve düzgündür. Bu tür alevin enerji yoğunluğu düşüktür. Brülörlerin kapasite aralığı , brülörlerin kapasite oranı (turn – down ratio) ile tanımlanmaktadır. Kapasite oranı en yüksek ısıl kapasitenin en düşük ısıl kapasiteye oranıdır. Çoğu brülörler için kapasite oranı, brülörün kafasında meydana gelen en yüksek basınç kaybı/ en düşük basınç kaybı oranının kare kökü alınarak hesaplanabilir. Brülörün maksimum kapasitesi, alev kopması (flame lift – off) olayı ve hava besleme basıncı ile sınırlıdır. Alev kopması karışma hızının alev hızından yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Kapasitenin alt sınırını ise alev tepmesi (flash – back) ve yakıtın minimum besleme kapasitesi çizmektedir. Alevin tepmesi, alev hızının karışma hızını aşması sonucunda gerçekleşmektedir. 312 Yakma sistemlerinde çeşitli sorunlarla karşılaşılmaktadır. Brülörlerin çalışması sırasında karşılaşılan bazı önemli sorunlar ve bunların olası nedenleri Tablo 4’ de gösterilmiştir. 9. BRÜLÖR TEKNOLOJİSİNDE YENİ GELİŞMELER VE ÖZEL BRÜLÖRLER Yukarıda anlatılan brülör sistemlerinin yanı sıra çeşitli yeni brülör tasarımları üzerindeki çalışmalar devam etmektedir. Bu brülörler özel amaçlarla geliştirilen brülörlerdir. Bunlardan bazıları şunlardır : • Yüksek hızlı gaz brülörleri • Düz alev brülörleri • NOx’ i yayınımı düşük brülörler • Darbeli brülörler • Daldırmalı brülörler. 313 Tablo 4. Sıvı ve gaz brülörlerinde karşılaşılan bazı sorunlar ve olası nedenleri Sorunlar 1. Yanma ve baca gazı yayınımları kötü Olası nedenleri • Yakıt/hava oranı uygun değil. • Yakıt - hava karışması iyi değil. • Peryodik bakım yapılmamış. • Yakıtın özellikleri öngörülen sınırların çok dışında. 2. Alev yatışkın değil • Tasarım uygun değil (Örn. : Alev düzenleyici yok veya uygun değil). • Yakıt/hava oranı uygun değil (Örnek : Hava çok fazla Ö alev kopması). • Yakıt - hava karışma rejimi uygun değil (Brülör ucunda soğuma). • Brülör tasarımı uygun değil. 3. Alev kopması • Yakıt/hava oranı uygun değil (Hava çok fazla Ö alev kopması). • Yakıt - hava karışma şekli uygun değil. 5. Alev çok kısa • Şiddetli ve girdaplı karışma. • Hava ve yakıt besleme hızları yüksek • Birincil havanın %’si yüksek (yakıt miktarı sabit). 6. Alev çok uzun • Yakıt - hava karışması iyi değil. • Hava ve yakıt besleme hızları düşük 7. Duman oluşumu var • Alevin, yanması tamamlanmadan önce soğuması (Örn. : Alevin soğuk bir duvarla teması.... gibi). 9. Gürültü var • Brülör ile yanma odası arasında etkileşim var (Rezonans gürültüsü : En önemli neden). • Brülörde/yanma odasında yanma çok şiddetli (çok önemli olmayabilir). • Fan(lar)ın çalışması. 314 Hızlı brülörler, yanma odalarında ısı iletimini iyileştirmek amacıyla geliştirilmiş olan brülörlerdir. Konveksiyon ısı iletim işlemlerinde ısı iletiminin verimini düşüren en önemli olaylardan birisi yüzeylerde oluşan ince filmdir. Bu film ısı iletim katsayısını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu filmin ortadan kaldırılması için sıcak gazların yüzey üzerindeki akışını hızlandırmak gerekmektedir. Yüksek hız brülörleri büyük miktarlardaki hava kütleleri ile çalışarak bir taraftan ısı iletim yüzeyleri üzerindeki akış hızlarını artırırken bir taraftan da, düşük sıcaklık farklarıyla ısı iletimini sağlamaktadır. Böylece, ısı iletim yüzeylerinde sıcak noktaların ve büyük ısısal gerilimlerin doğması tehlikesi büyük ölçülerde ortadan kalkmış olmaktadır. Gerekli havayı sağlamak için brülör özel fanlarla donatılmaktadır. Bu brülörler cam ön ısıtma fırınlarında ve diğer büyük çaplı ısısal uygulamalarda kullanılmaktadır. Düşük NOx’ li brülörlerde yanma iki aşamada gerçekleşmekte ve böylece NOx oluşumu düşük düzeylerde kalmaktadır. Bu brülörlerde gaz/hava karışımı bir manifolda ikincil bir hava akımıyla karıştırılmaktadır. İlk aşamada kısmı yanma ikinci aşamada ise tam yanma gerçekleşmektedir. Darbeli (Pulsatif) brülörlerde, yanma ve ısı üretimi ardışık dalgalar şeklinde gerçekleşmektedir, Şekil 32. Bu darbeli yanma sırasında basınç dalgaları ortaya çıkmaktadır. Bu basınç dalgaları hem yanma havasını hem de yanma gazlarını hareket ettirmekte ve konveksiyon ısı iletim katsayısını artırmaktadır. Konveksiyon ısı iletimindeki iyileşme gazın salınım hızına ve ses dalgalarının hızına bağlıdır. Darbeli yanma sonucunda sıcak gazlarla ısı iletim yüzeyleri arasındaki konveksiyon ısı iletiminde, yatışkın akış koşullarına kıyasla, %100 oranında bir iyileşme sağlamak mümkündür. Bu brülörlerde karşılaşılan en önemli sorun, darbeli yanmadan dolayı ortaya çıkan gürültüdür. Gürültü susturucuları yardımıyla gürültü 15 dB’ e kadar düşürülebilmektedir. Diğer bir yöntem, iki darbeli brülörün 180 derece faz farkıyla çalıştırılmasıdır. Böylece ortaya çıkan ses dalgaları girişimi ile gürültü büyük ölçüde düşürülebilmektedir. 315 Şekil 32. Darbeli brülörler. a) Schmidt b) Helmholtz Çimento fırınlarında kullanılan klasik kömür brülörlerinde alevin şeklini ayarlayabilmek amacıyla hava iki ayrı kanaldan beslenmektedir. Bu kanallardan biride hava eksensel yönde ve düzgün bir şekilde akarken, diğer kanalda girdaplı/türbülanslı bir şekilde akmaktadır. Böylece alevin şeklini ayarlamak mümkün olmaktadır. Havanın farklı yönlerde hareket etmesi sistemde sürtünmeyi iki kat artırmakta ve iki hava akımının karışmasını kontrol etmede güçlük yaratmaktadır. Diğer taraftan memeciklerin çaplarının küçük olmasından dolayı, alev jet uzunluğu istenen seviyeye çıkmamaktadır. Yeni geliştirilen brülörlerde, bu problemleri çözmek için, bütün birincil hava girdap şiddetinin ayarlanabildiği tek bir kanaldan beslenmesi yoluna gidilmiştir. Şekil 33’ de bu şekilde tasarımlanan M.A.S brülörü görülmektedir. Bu yeni brülörlerde girdap/ürbülans şiddeti, birincil hava kanalı içine yerleştirilmiş, bir mekanizma vasıtasıyla sağlanmaktadır. Bu mekanizma, ileri geri hareket eden ve brülörün ucundan itibaren 0.3 m mesafeye yerleştirilmiş bir halka üzerinde bulunan memecikler ve bunlara bağlı hava hortumlarından oluşmaktadır. Hortumların içinde birincil hava akmaktadır. Halkanın kendi ekseni etrafında döndürülmesiyle hava hortumlarına belirli bir kavislik kazandırılmaktadır. Bu kavislik derecesine bağlı 316 olarak, hava radyal yöndeki hızı ve buna bağlı olarak girdap şiddeti değiştirilmiş olmaktadır (Lederer, 1996). Bu brülörler, alev boyunun istenen seviyede olması, alev şeklinin kolayca ayarlanabilmesi, ikincil havanın alevle etkin bir şekilde karışması, memeciklerdeki basınç düşüşünün %50 oranında azalması, NOx yayınımının düşük olması, geniş merkezi kanalından dolayı atık yakıtlar yakabilme olanağının olması gibi özellikleri bulunmaktadır. Şekil 33. M.A.S kömür yakma brülörü. 317 10. KAYNAKLAR Arısoy, A., Kömürlerin Yakılması, Kömür (Ed. O. Kural), Kürtiş Matbaası, İstanbul, 1991. Atakül, H., Ekinci, E., Agglomeration of Turkish (Çan) Lignites in a Fluidised Bed Combustor, Journal of the Institute of Energy, March, 56 – 61, 1989. Atakül, H., Ekinci, E., Agglomeration in Flotsam - and Jetsam-Rich Systems, Powder Technology, 60, 77 – 82, 1990. Atakül, H., Eskikaya, T., Ekinci, E., Akışkan Yatakta Kömürün Yanması ve Türkiye’deki Akışkan Yatak Teknolojisinin Durumu , Kömür Teknolojisi ve Kullanımı Semineri (Ed. G. Önal, G. Ateşok), Ardıçlı Matbaacılık, İstanbul, 1991. Basuı, P., Fraser, A. S., Circulating Fluidized Bed Heinemann, Boston, 1991. Boilers, Butterworth – Davidson, J. E., Cross, J.I., Topper, J. M., Application of CFBC to Power Generation in the UK, in Circulation Fluidized Bed III (Ed : P. Basu, M. Hasatani, M. Horio), Pergamon Prss, Oxford, 1991. Chattopadhyay, P. , Boiler Operations Questions and Answers, McGraw – Hill, New York, 1995. Corntornth, R., Combustion Engineering and Gas Utilization, E&FN Span, New York, 1992. Dainton, A. D., The Combustion of Coal, Coal and Modern Coal Processing : An Introduction (Eds.. G. J. Pitt, G. R., Millward), Ekinci, E., Eskikaya, T., Atakül, H., Kömürün Akışkan Yatakta Yakılması, Kömür (Ed. O. Kural), Kürtiş Matbaası, İstanbul, 1991. Ekinci, E., Atakül, H., Tolay, M. (1990), Detection of Segregation Tendencies in a Fluidised Bed Using Temperature Profiles, Powder Technology, 61, 185 - 192. Hamdullahpur, F., Ugursal, V. İ, Guangxı, Y., Fluidized – Bed Combustion, Coal (Ed. O. Kural), Özgün, İstanbul, 1994. 318 Hilmioğlu, Akselli, B., Yardım, M. F., Atakül, H., Bazı Türk Linyitlerinin Ergime Özellikleri ile Aglomerasyon Özellikleri Arasındaki İlişkinin Araştırılması, III. Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 9 –16 Eylül, Erzurum, 1998. Howard, J.R., Fluidised Bed Combustion and Applications, Applied Science Pub., London, 1983 Howard, J.R., Fluidised Bed Technology Principles and Applications , Applied Science PubAdam Hilger, New York, 1989. Geldart; D., Gas Fluidization Technology, Wiley, New York, 19986. Kunii, D., Levenspiel, O., Fluidization Engineering, Krieger and Reinhold, New yOrk, 1977. Lederer, H., A New Rotary Kiln Burner Technology, World Cement, December, 45 – 48, 1996 Sanayide Enerji Yönetimi Esasları, Cilt II, Elektrik Edüt İdaresi, Ankara, 1997. 319 9. BUHAR SİSTEMLERİ Proseste buhar kullanılan bir endüstriyel tesiste en önemli temel girdilerden biri yakıttır. Dolayısı ile buhar üretimi ve kullanımında verimin artırılması ile büyük ölçüde yakıt tasarrufu ve işletme gideri tasarrufu mümkündür. Proses ve ısıtma için üretilen buharın bir kısmı kazan dairesine yakıt tankları ısıtmasında, degazörde, boylerde ve bazı hallerde besi suyu ısıtmasında kullanılır. Burada daha çok kazan dairesi üzerinde durulacak, özel proseslerde buhar tüketiminin azaltılması üzerinde fazla durulmayacaktır. 1. BUHARIN ÖZELLİKLERİ Buhar üreten veya kullanan cihazların tasarımı için buharın özelliklerinin bilinmesi gerekir. Herhangi bir durumdaki buharın özelliklerinin söz konusu noktadaki buharın halini tarif eder. Diğer saf maddeler gibi, su buharı için de bilinmek istenen özellikler, a) sıcaklık b) basınç c) özgül hacim d) antalpi e) antropi olarak sayılabilir. Herhangi bir noktada buharın halini tarif etmek için bu özelliklerden sadece ikisi yeterlidir. Bu demektir ki, bir hal için buharın iki özelliği biliniyorsa, bunlar cinsinden aynı haldeki diğer bütün özellikler hesaplanabilir. Buharla ilgili hesaplarda bu özelliklerden yararlanarak çeşitli basınçlara karşı gelen doyma sıcaklıkları, doymuş suyun ve buharın antalpileri ve özgül hacimleri ve buharlaşma ısısı istenmektedir. Bunlar için buhar tabloları hazırlanır. Bu tablolar yardımı ile doymuş buhar üreten ve kullanan bütün cihazların tasarımı mümkündür. Çoğu zaman pratikte buhar tabloları yerine diyagramlar kullanılır. Buhar hesaplarında en çok kullanılan diyagramlar T-s, T-h ve h-s (Mollier) diyagramlarıdır. Bu diyagramlarda iki özellik cinsinden diğer özelliklerin değişimi eğriler halinde verilmiştir. Ayrıca diyagramlarda faz eğrileri, yani doymuş su halleri de işaretli vaziyettedir. Şekil 1’de Mollier diyagramı, Şekil 2’ de T-h diyagramı gösterilmiştir. Şekil 2’deki sıcaklık antalpi diyagramında B noktasında akışkan su halindedir. C noktasında ise su söz konusu basınçta doyma sıcaklığına erişmiştir. Dolayısı ile C noktasında doymuş su bulunmaktadır. C1 noktasında ise akışkan doymuş kuru buhar 320 halindedir. Doymuş kuru buhar kendi sıvısı ile temas halindeki saf buhardır. Bu buhar alınarak başka bir yerde kendi sıvısı ile temas olmaksızın sabit basınçta ısıtılırsa, sıcaklığı yükselir ve D noktasına ulaşır. Bu durumdaki buhara kızgın buhar adı verilir. Bir buhar kazanındaki işlemler yukarıda tarif edilen B noktasından noktasına kadar sabit basınçtaki işlemlerden ibarettir. 2. KISILMA İŞLEMİ Su veya buharın ince bir delikten gerçek basıncının düşmesine kısılma veya makaslama adı verilir. Bu olayda pratik olarak antalpi sabit kalır. Kondenstoptaki olaylar da genellikle bir kısılma olarak değerlendirilebilir. Şekil 2’deki diyagramda C noktasından geçen sabit antalpi işaretlenmiştir. Buna göre P basıncındaki doymuş su (kondens) makaslanarak Po basıncına kadar düşürülürse, BB1 doğrusunu kestiği F noktası makaslama sonundaki akışkan halini verir. Görüldüğü gibi bu nokta yaş buhar bölgesindedir. Yani bir sıvı-buhar karışımıdır. Fiziksel olarak P basıncında tamamen su olan kondensin, makaslama ile basıncı düşülünce bir kısmı buharlaşır. Bu buhara flaş buhar adı verilir. Po basıncı atmosfere açık ve yüksekte olmayan kondens tankları için 1 bar (mutlak) basınçta olacaktır. Eğer kondens tankı yüksekte ise, kondens hattı su dolacak ve kondenstop çıkışındaki basınç, kondenstop ile kondens tankı arasındaki seviye farkı kadar su sütünuna eşit olacaktır. Basınçlı kondens hatlarına ise söz konusu basınç kondenstop çıkış basıncı olacaktır. 3. ENDÜSTRİYEL PROSESLER Endüstriyel proseslerde genellikle doymuş kuru buhar kullanıır ve yine genellikle buharın ısısından yararlanılır. Şekil 2’de kazana B noktasında giren su kazandan C1 şartlarında doymuş buhar olarak çıkar. Aynı şartlarda kullanım yerine ulaşan buhar buradaki proseste ısısını vererek yoğuşur. Tekrar C şartlarında doymuş su olarak prosesten çıkar. Bu basınçlı su kondenstopta makaslanarak F şartlarında kondens hattına düşük basınçta sıvı+buhar karışımı olarak verilir. Açık kondens tankında buhar ayrılır ve su B şartlarında tekrar kazana döner. Burada ısı kayıpları dikkate alınmamıştır. 4. KONDENS GERİ DÖNDÜRÜLMESİ Kondens en önemli ısı enerjisi kayıp noktalarından birisidir. Kondensle ısı iki türlü kaybolur: 321 a. Geri döndürülmeyen kondensle atılan enerji. Bazı proseslerden sonra buhar veya kondens kirlendiği için dışarı atılır. Diğer bir neden kullanım yeri çok uzak olduğu için kondensin geri döndürülmesi ile ilgili yatırımdan kaçılır. Son neden ise yakıt tankı ısıtması gibi kondensin kirlenme tehlikesi bulunmasıdır. Emniyet nedeniyle kondens bu durumda dışarı atılır. Kondensin dışarı atılması 3 nedenle kayıp oluşturur: 1. Enerji kaybı 2. Su kaybı 3. Tamamen saf su olduğundan, suyun saflaştırılma maliyeti. Bu maliyetler dikkate alınarak uygun bir hesap yapıldığında, dışarı atılan kondens maliyetinin çok yüksek olduğu görülecektir. Diğer ilginç bir nokta ise, kondensle dışarı atılan saflaştırılmış su maliyetinin atılan enerji maliyetinden fazla olmasıdır. 1995 fiyatları ile 5.1 milyon kondens maliyetinin 2.1 milyonu yakıt, 3 milyon T.L.’si su maliyeti olarak hesaplanmıştır. Bu nedenle kondens geri döndürülmelidir. Yakıt karışma gibi tehlikeler varsa, kondens atılmayıp, yağ veya yakıt kapanı veya dedektörü kullanılmalıdır. Atılmak zorunlu ise, bu durumda ısısı geri kazanılmalıdır. Su maliyetleri Tablo 1a. Aralık 1996 fiyatlarıyla Şehir şebeke suyu maliyetleri (KDV ve Atıksu bedelleri dahil) ( 1 USD = 100.000 TL) Şehir İstanbul Ankara Bursa İzmir Sertlik derecesi Konutlarda su bedeli (*) Fransız sertliği (TL/m3) (**) Ömerli……..8-9 0-10m3/ay için 29.900 Diğerleri…17-18 10-100 m3/ay için 69.000 100-üzeri için 115.000 9-11 0-10m3/ay için 52.325 11-30 m3/ay için 133.745 30-üzeri için 197.800 15-17 0-10 m3/ay için 62.075 10-üzeri için 152.676 30-35 0-10 m3/ay için 46.000 11-30 m3/ay için 161.000 31-100 m3/ay için 310.500 322 Sanayide su bedeli (*) (TL/m3) 0-10 m3/ay için 10-100 m3/ay 100-üzeri için 80.500 195.500 287.500 349.255 233.398 0-10 m3/ay için 161.000 11.30 m3/ay için 241.500 31-üzeri için 402.500 (*) Kullanılmış suları uzaklaştırma bedeli ve KDV dahil, (**) Fransız sertlik birimi=0,56 Alman sertlik birimi=0,80 İngiliz sertlik birimi=0,2 mval=10 grCaCO3/m3 Tablo 1b.Aralık 1996 fiyatlarıyla suyu temini (1 USD=100.000 TL) Firma İSKİ (işyeri) İSKİ (konut) Özel şirket İstanbul tankerle kullanma ve bahçe sulama Bedeli (*) 16 ton suyun toplam bedeli 4.600.000 TL 16 ton suyun toplam bedeli 2.495.000 TL 6 ton suyun toplam bedeli 5.500.000 TL (*) KSUB bedeli hariçtir. Belediye kayıtlı kullanıcılarından (otel vb.), bu amaçla ayrı bir bedel tahakkuk ettirmektedir. Tablo 1c. Su tasfiye, basınçlandırma ve ısıtma maliyetleri Büyük İşlem Açıklama Küçük sistem sistem Bedeli Bedeli USD/m3 USD/m3 Soğutma kulesi suyu, Katkı maddeleri 0.09 0.06 orta sertlikte Su yumuşatma Su tasfiye 0.85 0.88 Buhar kazanları besi Su tasfiye+katkı 0,92 0,92 suyu maddeleri Hidroforla 4 bar basınç artırımı için 0,024 USD/m3 basınçlandırma Doğal gazla kullanma 10 C’den 60C’ye ısıtma 1,42 USD/m3 sıcak suyu Elektrikle kullanma sıcak 10 C’den 60C’ye ısıtma 4,77 USD/m3 suyu b. Geri döndürülen kondenste atmosfere açık kondens tankı kullanılması sonucu buharlaşma ile meydana gelen ısı kaybı. Kondens tankı atmosfere açık ise kullanma yerini terk eden yüksek basınçlı kondens, kondenstoptan geçtiğinde basıncı düşerken bir kısım sıvı da buharlaşır. Bu buhara flaş buhar denir. Kondens debisine oranla oluşan flaş buhar miktarı, 323 m flaş = h1 − h2 Δh2 İfadesiyle bulunabilir. Burada h1 yüksek basınçlı kondens antalpisi, h2 düşük basınçlı kondens antalpisi ve Δh2 düşük basınçta buharlaşma antalpisidir. Oluşan flaş buhar miktarı Şekil 3’den okunabilir. Bu buhar kondens kabında dışarı atılır. Bu kaybın önlenmesi için flaş buhar tankı kullanılmalıdır. (Bakınız Şekil 4) Şekill 5’de bir tesise önerilen besi suyu sistemi ve kondensten flaş buhar üretimi ile ısı geri kazanımı görülmektedir. Bu sistemde hesaplanan 5600 kg/h kondens dönüşüne karşılık 615 kg/h 0,5 bar flaş buhar potansiyeli bulunmaktadır. Bu günlük 840 kg yakıt tasarrufuna karşı gelmektedir. 4. BLÖF SİSTEMİ Kazanda besi suyu ile gelen ve burada biriken yabancı maddelerin derişikliğini düşürmek için zaman zaman veya sürekli blöf işlemi yapılır. Blöf kazandaki suyun dışarı atılmasıdır. Dışarı atılan yüksek derişiklikte kirletici içeren su yerine, çok daha düşük derişiklikte yabancı madde içeren taze besi suyu kazana otomatik olarak alınır. Böylece kazandaki yabancı madde derişikliği kontrol edilir. Modern kazanlarda limit kirletici TDS (ppm) değeri 3000 olarak verilmektedir. Blöf alt blöf ve üst blöf olarak iki farklı seviyeden yapılır. Blöf miktarı daha önce ifade edildiği gibi, mbl = P.F /( B − F ) olarak hesaplanabilir. Burada P(kg/h) buhar kapasitesi, B(ppm) istenen kazan suyu TDS değeri, F (ppm) besi suyu TDS değeridir. Blöfle dışarı atılan enerji miktarı kazan basıncına bağlıdır. Blöf miktarı, mbl ise dışarı atılan enerji, Q = mbl c(t s − t 0 ) 324 şeklinde yazılabilir. Burada ts doyma sıcaklığını, t0 ise çevre sıcaklığını göstermektedir. Bu enerjinin bir kısmı Şekil 6’da görülen sistem ile geri kazanılabilir. Burada hem düşük basınçlı buhar elde edilmekte, hem de besi suyu ön ısıtılmaktadır. Bu tür sistemlerin kullanılabilmesi için otomatik blöf gereklidir. Örnekteki sistemde önce flaş buhar tankında flaş buhar üretilir ve daha sonra 0.5 bar basınçtaki atık kirli su (yaklaşık 110 C sıcaklıkta) bir eşanjörde yumuşak besi çıkışı şeklinde hoş olmayan görüntü de ortadan kalkacaktır. Söz konusu sistemde blöften geri kazanılabilecek enerji 970 kg/gün fuel oil eşdeğeridir. ( 535 kg flaş buharla, 435 kg eşanjörle) 6. SİSTEMDE BASINCIN DÜŞÜRÜLMESİ Sistemde buhar basıncı düşürülebiliyorsa, bir yandan ekonomizörsüz kazanda dumanın daha fazla soğuması nedeniyle baca gazı sıcaklığı düşecek verim artacak, diğer yandan daha düşük basınçtan dolayı flaş buhar miktarı azalacaktır. Bir sistem için yapılan hesapta, kazan basıncının 16 bar’dan 8 bara indirilmesi halinde, 1 ton/h buhar başına günde 0.025 ton yakıt tasarrufu hesaplanmıştır. Şekil 7’de basınç düşürmenin yarattığı verim artışı verilmiştir. Çoğu zaman sistemde buhar üretim basıncı gereksiz yere yüksek tutulmaktadır. Yüksek basınçlı buhar ihtiyacı olan bir yer nedeniyle bütün buhar üretimi bu basınçta yapılmaktadır. Diğer kullanma yerleri gereksiz yere yüksek basınçlı buhar kullanmaktadır. Bu gibi durumlarda buhar devresini farklı basınç kademelerine ayırmak ve mümkünse bu kademeleri farklı kazanla beslemek uygundur. Şekil 5’de bu uygulama da görülmektedir. 7. KONDENSTOP Kondenstoplar buhar sistemlerinin en önemli elemanlarından birisidir. Kondenstoplar hava, gaz ve kondensi otomatik olarak tahliye eden fakat buharı tutan cihazlardır. Buhar kullanılan cihazlardan sonra veya buhar hatlarının drenaj noktalarında kullanılır. Çeşitli nedenlerden dolayı kondenstoplar problem olabilir. Kondenstop kapalı durumda kalırsa buhar çekişi aniden azalacaktır. Kondenstop tam açık veya kısmen açık durumda arızalı ise buhar sarfiyatı devam edecek ve bu durum gereksiz buhar kaybına, dolayısıyla enerji kaybına neden olacaktır. 325 Şekil 8’deki buhar kaçak diyagramından görülebileceği üzere 7,5 mm ofise sahip bir kondenstopun 6 bar’da buhar kaçırması durumunda kaçan buhar 110 kg/h değerindedir. Buna göre yıllık yakıt sarfiyatı 8400 h/yıl çalışma için 120 ton kömür, 70 ton fuel oil veya 700 m3 doğal gaz olmaktadır. 8. BUHAR KAÇAKLARI Zaman içinde hatlarda meydana gelen kaçaklar önemli bir enerji kaybına neden olur. Şekil 9’da kaçak buhar jeti uzunluğuna bağlı olarak yaklaşık buhar kayıp miktarları verilmiştir. 9. BUHAR İÇİNDE HAVA Proseste buhar enerjisinden max. oranda yararlanılmalıdır. Isı geçiş yüzeylerinde buhar tarafında su ve hava filmi olmamalıdır. Her iki film tabakası da ısı geçişini büyük ölçüde azaltır. Bu nedenle kondenstop seçimi ve tesisattaki havanın otomatik atımı büyük önem taşır. 10. YAKIT DÖNÜŞÜMÜ Yakıt dönüşümünde fuel oilden doğal gaza dönüş ele alınacaktır. Burada yatırım maliyeti üzerinde durulmayacaktır. Dönüşümün iki zorlayıcı yönü vardır. Bunlardan birincisi Hava Kalitesini Koruma Yönetmeliğidir. Bu yönetmelik şartların fuel oil yakarken sağlamak mümkün değildir. Ancak yaş tip baca filtresi kullanarak bu yönetmelik şartları yerine getirilebilir. Bu filtrenin maliyeti ve işletme zorluğu ve gidreleri vardır. Diğer zorlayıcı yön ise dönüşümün ekonomik avantajı ve getirdiği işletme bakım kolaylığıdır. Burada bir fizibilite çalışmasına yön verecek karşılaştırma kalemleri üzerinde durulacaktır. Aşağıdaki tabloda kuruşlandırılabilecek kazan dairesi işletme giderleri bir örnek üzerinde gösterilmiştir. 326 Karşılaştırma konusu Birimi Mevcut kazanlar Doğal gaz Yeni kazan Doğal gaz - Mevcut kazanlar Fuel oil 13.6 % 0.035 % 0.165 % 0.56 % 2.2 % Baca gazı kaybı Eksik yanma kaybı Yanmamış yakıt kaybı Sıcak cidar kaybı Blöf kaybı Toplam ısıl verim Yakıt ısıl değeri Yakıt tüketimi Yakıt fiyatı Toplam yakıt maliyeti Bakım Yakıt hazırlama Buhar (200 kg) Elektrik (46 kW) Su (250 kg) Filtre işletmesi Toplam Maliyet 12 % 0% 0% 0.56 % 2.0 % 10 % 0% 0% 0.2 % 2% Kcal/kg Kg/h TL/h TL/h 83.4 % 9922 765 6328 4841000 85.4 % 8250 kcal/Nm3 898 m3/h 4945 TL/m3 4440000 87.8 % 8250 kcal/Nm3 874 m3/h 4945 TL/m3 4322000 TL/h TL/h TL/h TL/h TL/h TL/h TL/h %2=96800 %1=44400 %0.5=21600 121000 50000 150000 5258800 -94190 4390000 -94190 4249000 Bu tabloya ilave olarak aşağıdaki kalemlerde kararda gözönüne alınmalıdır. Mümkünse kuruşlandırılmalıdır. 1. Yakıt tankları kalkacak ve ilave bir hacim yaratılacaktır. 2. Mevcut fuel oil sistemlerinde yakıt satın almada çoğu zaman yakıt ölçümü imkanı olmamakta ve kötü niyetli işlemler olabilmektedir. Halbuki doğal gazda bu belirsizlik ortadan kalkacaktır. 3. Bakım arıza temizlik ve servis konusunda doğal gaz avantaj sağlayacaktır. 4. Uzak atölyelerin ısıtılması gibi münferit kullanımlarda, mutfak ve lokantalar bölümleri gibi pişirme, ısıtma ve sıcak su hazırlama amaçlı buhar kullanımında doğrudan doğal gaz kullanılabilir. Çoğu zaman bu tip kullanımlarda kondensin de geri döndürülmediği dikkate alınırsa, burada da doğrudan doğal gaz kullanımı büyük avantaj sağlayacaktır. 10. ÖRNEK ÇÖZÜM 327 Şekil 5’de şematik olarak gösterilen örnek uygulama ısı tasarruf önerileri Tablo 2 ve 3’de önem derecesine göre iki sınıfa ayrılarak verilmiştir. 11. ENDÜSTRİYEL TESİSLERDE İYİ BAKIM KONTROL LİSTESİ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. Yakıt, gaz, veya yağ sızıntıları Buhar kaçakları Basınçlı hava kaçakları Kondens kaçakları Su kaçakları Bozulmuş veya tamamen kalkmış izolasyon Aşırı ısıtma veya soğutma Isıtma, havalandırma ve klima sisteminde kaçaklar Ayarı bozuk brülör Buhar kapanlarının istenilen biçimde çalışmaması (her trap öngörülen bakım zamanında kontrol edilmelidir.) Kirli ısıtma yüzeyleri (kazan, soğutucu, ısıdeğiştirgeci v.s.) Kirli motorlar Yıpranmış kayışlar Büyük elektrikli tahrik ve hidrolik pompalarda yağlama uygun olmayan viskozitesi Kirli lambalar Yakıtta fazla veya birikmiş katkı maddeleri Uygun olmayan işletme ve sıcaklıkları 12. POTANSİYEL EKONOMİLER 1. A) 1. 2. 3. 4. 5. SU İYİ BAKIM Bütün kaçakları tamir et Sistemi kontrol altında tut Kullanma sıcak suyu sıcaklığını düşür Kullanılmadığı zaman sistemi kapat Doğru akış debilerini devam ettirebilmek için suyu işlemden geçir. B) DÜŞÜK MALİYET 1. Isıtılmış sıvı açık yüzeylerini kapa 328 2. Akış debilerini kontrol etmek için valfler, regülatörler tesis et 3. Pompaları kontrol et / değiştir. C) YENİLEME 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Atık sularla enerji kayıplarını azalt Fazla veya gereksiz akışları elimine et Soğutma kulelerine sis/damlacık tutucular koy Düşük sürtünme kaybı olan borular kullan Sıcak ve soğuk su borularını izole et Tek geçişli devreleri kapalı devrelere çevir İzole talepler için buster pompalar kullan Atık suları azaltmak için arıtma yap Genleşme tankları kullan 2. POMPALAR A) İYİ BAKIM 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Samastraları ayarla Çarktaki ve sızdırmazlıktaki toleransları ayarla Kayış gerilmesini kaplin eksenlemesini ayarla Üniteleri kontrol et ve tamir et Kontrol ünitelerini çek et Gerekli değilse kapa Koruyucu bakım yap B) DÜŞÜK MALİYET 1. Normal salmastraları mekanik salmastralar ile değiştir 2. Pompa çarklarını sıkılaştır ve düzenle C) YENİLEME 1. Değişken hız kontrolu tesis et 2. Eski üniteleri değiştir 3. Büyük seçilmiş motorları değiştir Mikroprosesör kontrol kullan 329 10. ISITMA, HAVALANDIRMA VE KLİMA SİSTEMLERİ A) İYİ BAKIM 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Damper bağlantılarını sıkılaştır Motor kayışının gerginliğini ayarla Hava filtrelerini temizle/değiştir Gerekli olmadığı zaman egzost ve besleme fanlarını kapat Işıkları ve ekipmanı gerekli olmadığı zaman kapat Kontrol ünitelerini yeniden kalibre et Boru ve kanal izolasyonlarını tamir et Isı geçiş yüzeylerini temizle Kanalları tamir et Sigara içilen v.s. hacimleri işaretle Isıtma/soğutma, işgal edilen/edilmeyen zamanlar için max./min. sıcaklıkları yeniden ayarla 12. Hava akış hızlarını yeniden ayarla 13. Bakım programlarını uygula DÜŞÜK MALİYET 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Sistemi kapamak veya %100 resirkülasyona geçmek için zaman saati tesis et Sirkülasyon pompalarını kontrol edin Dış hava kontrolu kullanın Zon termostatı kullanın Hava damperlerine kenar contaları koyun Fan-coil ünitelerine kontrol valfleri takın Aynı zamanda ısıtma ve soğutmayı önleyin Reheat yüklerini minimize etmek üzere kontrol düşünün Dış hava alımını minimuma düşürün Isı üreten cihazların etrafına bariyerler yerleştirin Yüksek tavanlı yapılarda katmanlaşmayı önleyici fanlar tesis edin Basınç kayıplarını azaltın YENİLEME 1. Egzosttan ısı geri kazanma 2. Ventilasyonu azaltmak için hava şartlandırma 3. Yüksek nitelikli yerlere hava akışını azaltın 330 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Farklı yüklere haiz bölümleri ayırın Sabit hacimli sistemleri VAV sistemlerine çevirin Boru ve kanallara ilave izolasyon Kondenser ısısını geri kazanın Isı geri kazanmayı 12 aya uzatmaya çalışın Mikropresesörlü enerji yönetim sistemi getirin: Optimum durma/kalkma zamanları Antapi esaslı ekonomizör çevrimi kontrolu Hava/su sıcaklıklar reseti Çeşitli sistemleri kontrol amacı ile kaydetmek Pik elektrik taleplerine kısıtlamak Hatalı çalışmaları kaydetmek Geniş çatılara su sprayleri tesis etmek 331 Şekil: 332 Şekil: 333 şekil 334 335 g 336 ÇAP Yüksek Kondens lik 150 200 300 380 460 500 600 760 920 1100 1100 1150 1260 1200 1400 1400 1400 1500 Çıkış Çapı 40 40 50 50 50 65 65 80 80 Giriş Yüksekliği 282 290 307 330 400 450 450 450 500 Giriş ve Flaş Buhar Çıkış Çap 65 100 125 150 175 200 225 300 350 Flaş Buhar Tank Boyutları KAZAN BLÖF ENERJİSİNİ GERİ KAZANIMI 337 Max. Kondens Kg/h 900 2250 4500 9000 12700 15900 20400 34000 50000 Max. Buhar Kg/h 225 450 900 1400 2050 2400 3500 5600 8200 KAZAN BASINCI ENERJİ GERİ KAZANIM % si 78 80 82 85 86 bar 5 7 10 17 20 338 ç Orijinal Kazan Basıncı 339 BUHAR KAÇAKLARI BUHAR DAĞITIM HAT KAYIPLARI 340 1. Sınıf Öneriler NR. Ref. 1 3.5.1 2 3.6.3 3 4 5 3.6.3 3.5.2 3.5.2 6 3.5.6 7 8 3.5.6 9 10 11 12 13 14 15 3.3.3 3.5.3 3.5.4 3.5.4 3.5.5 3.5.9 3.5.6 Ocak 1995 fiyatları ile tasarruf * Konu ton Milyon Milyon Fuel oill/ TL/gün TL/gün gün Buhar basınçlarının gözden geçirilmesi 0.025 0.158 mevcut şartlarda (flaş tankı yok) basıncın 16 bar dan 8 bara düşürülmesi halinde 1 ton buhar için Baca gazı gözlem ve kaydı 316 (Selnikel kazanı için) Otomatik oksijen ayar sistemi 630 Fuel oilden Doğal gaza dönüşüm 0.137 0.869 Atelyeler ve mutfağın doğal gazla 0.200 1.260 ısıtılması Yakıt, sıcak su ve kondens hatları izolasyonu Sıcak su tanklarının izolasyonu Buhar borularının izolasyonlarının onarılması Buhar kaçaklarının önlenmesi Brülörlerin ayar ve bakımı Blöf buhar tankı 0.537 3.4 Blöf buhar ısı değiştiricisi 0.435 2.75 Flaş buhar tankı 0.840 5.31 Yağ dedektörleri 0.810 5.1 Besleme suyu sisteminde değişiklikler 1.5 (flaş tankı yok). Tahmini tasarruf 3 ton/gün sıcak su ve 2400 kg/gün buhar 16 3.5.10 Ekonomizör 1100m3 gas/day 5.4 *) Kasım 1997 6 numara fuel oil fiyatı 32742 TL/kg olup buna göre tablodaki rakamları 5,2 ile çarpmak gerekmektedir. 341 2. Sınıf Öneriler NR. 1 Ref. 3.5.1 2 3 4 3.5.1 3.2.3 3.4 5 3.5.3 6 3.5.6 7 8 9 3.5.6 3.5.6 3.5.6 Konu Sungurlar ve Yıldız kazanının 7000kg/h buhar kapasiteli yeni kazanla değişimi Buhar kollektörlerinin yeniden düzenlenmesi Baca gazı gözlem ve kaydı Fuel oil den doğal gaza geçiş veya baca gazı filtresi Sebep Teknik Teknik Çevre koruma Çevre koruma Eski prizmatik fuel oil tankının yeni silindirik tank ile değiştirilmesi Make-up su tankı (seviye kontrolü ve otomatik vana) Degazör pompaları Kondens tankı seviye kontrolü Degazör için basınç kontrolü 342 Teknik Teknik Teknik Teknik Teknik 11. SOĞUTMA MAKİNALARI VE SİSTEMLERİ 20.1 GENEL TANIMLAR Kütle : Akışkan : Termodinamik çevrimi oluşturan maddelerdir sıvı, buhar veya gaz halinde bulunabilirler. İç enerji : Atomların hareketlerinden dolayı oluşan kinetik enerjidir Sıcaklık : Atomları kinetik enerjisinin (iç enerjinin) ölçülebilir bir göstergesidir. Birim K (derece Kelvin = °C + 273.15) Basınç : Birim alana uygulanan Kuvvettir. (birim N/m2=Pa) Entalpi : iç enerji artı potansiyel enerji Doymuş sıvı : verilen akışkan basıncı için kaynama noktasındaki sıvı Doymuş buhar : verilen akışkan basıncı için kaynama noktasındaki buhar Buhar yüzdesi : doymuş buhar-sıvı karışımındaki % buhar miktarı Akışkan debisi : akışkanın sistemdeki akış oranı kg/s 20.2 SOĞUTMA MAKİNALARI Soğutma makinaları bir bölgeyi çevre sıcaklığının altında tutmak için kullanılan sistemlerdir. Bu tür sistemlerde tek fazlı akışkan kullanılabileceği gibi iki fazlı akışkanlar da kullanılabilir. Genelde soğutma uygulamaları, yiyeceklerin saklanması, binaların soğutulması gibi uygulamalar için düşünülür, fakat bir çok farklı uygulaması da mevcuttur. Örneğin uzay araçlarının sıvı yakıtlarının eldesi, demir çelik fabrikalarında kullanılan oksijenin elde edilmesi , doğal gazin taşınması ve depolanması gibi alanları kapsayabilir. Soğutma makinaları temel olarak güç alma için çalışan makinaların tersi prensiple çalışır. Dışardan iş girerek soğu enerjisi elde edilir. Hepimiz elimize dökülen kolonyanın serinlik verdiğini biliriz. Bunun temel nedeni kolonyanın içindeki alkolün buharlaşması sonucu çevresinden (elimizden) ısı enerjisi çekmesidir. Soğutma makinalarının çoğu genel olarak bir çalışma akışkanının düşük basınçta buharlaştırılması ve yüksek basınçta tekrar sıvılaştırılması prensibine dayanır. Bundan başka bir gazın yüksek basınca sıkıştırıldıktan sonra soğutulması sonrada düşük basınca genleştirilmesi prensibine dayanan soğutma sistemleri de vardır. Bu tür sistemler gazların sıvılaştırılmasında ve uçaklarda sıkça kullanılırlar. Termoiyonik soğutucularda (Peltier soğutucuları) gittikçe daha fazla kullanım bulmaktadır. Bu soğutucularda uçlarından birbirine bağlanmış iki değişik tür alaşımdan elektrik akımı geçirilir ve bir uç ısınırken diğeri uç soğur. 343 Soğutma akışkanlarının sıkıştırılması genelde kompresör dediğimiz aygıtlarla gerçekleşir. Kompresörler genel olarak piston silindir tipi, turbokompresörler, vida tipi kompresörler, ses dalgalarıyla sıkıştırma gibi değişik tiplerde olabilir. Absorbsiyon tipi soğutucularda basınç sıvı pompası ve birden fazla sıvının fazlarının ayrılması sistemiyle de oluşturulabilir Soğutma akışkanlarının aynı zamanda genleştirilmesi de gerekmektedir. Genleşme ideal olarak bir türbin veya genleşme makinasında yapılabilir, fakat genel uygulama bir genleşme vanası veya lüle, kılcal bir boru veya delikli levhalar kullanmaya dayanır. Şimdi bu makinaların bazılarını daha detaylı olarak inceleyelim. 20.3 KARNOT SOĞUTMA MAKİNASI Karnot soğutma makinası teorik olarak soğutma akışkanının sıkıştırıldığı bir kompresör, soğutma akışkanının buharlaştırıldığı bir evaporatör, soğutma akışkanının genleştirildiği bir türbin ve bir kondenserden (yoğuşturucu) oluşur. Teorik olarak en yüksek çalışma verimine ulaşabilecek makinadır. Akışkan olarak doymuş sıvı – buhar karışımını kullanır. Teoride bu çevrim en iyi verim vermekle beraber, pratik kullanımda sıvı buhar karışımının kompresörde sıkıştırılması ve türbinde genleştirilmesi çok zordur. Aynı zamanda türbin pahalı bir araçtır. Bu yüzden bu çevrim pratik uygulamalarda kullanılmamıştır. 3 Kondenser Türbin 4 Evaporatör Qçıkış 2 Kompresör Qgiriş 1 Şekil 20.1 Karnot soğutma makinası 344 Şekil 20.2 Karnot çevrimi T-s (sıcaklık entropi) diyagramı. Burada 1-2 kompresörü, 2-3 kondenseri, 3-4 türbini, 4-1 evaporatörü göstermektedir. 20.4 STANDART SOĞUTMA ÇEVRİMİ (MAKİNASI) Karnot çevrimindeki problemler bu çevrimi biraz değiştirerek giderilebilir. Kompresöre doymuş sıvı-buhar karışımı gönderilecek yerde karışım kızdırılarak tamamen doymuş veya kızgın buhar haline getirilebilir. Pahalı olan türbin bir genleşme vanasıyla değiştirilebilir. Bu değişiklikler yapıldığında günümüzde en fazla kullanılan soğutma sistemi oluşmuş olur.Şekil 20.3 de bu çevrimin bileşenlerini şematik olarak görmekteyiz. 3 Kondenser Qçıkış 2 Genleşme vanası Kompresör 4 Evaporatör Qgiriş 1 Şekil 20.3 Standart soğutma çevrimi 345 Şekil 20.4 de böyle bir soğutma sisteminin daha ayrıntılı ve gerçekçi bir diyagramını görmekteyiz. Şekil 20.5 de ise aynı çevrimin sıcaklık entropy (T-S) diyagramında gösterilişini görmekteyiz. Şekillerden de görüldüğü gibi soğutma makinası temel olarak bir buharlaştırıcı (evaporatör), bir Kondanser (Yoğuşturucu), bir kompresör ve bir genleşme vanasından oluşmaktadır. Evaporatörde ortamdan ısı enerjisi çekilir, kondenserde ise ısı çevreye verilir. Kondenser ve evaporatör olarak genelde hava veya suya veya soğutulacak besin maddesine ısı aktaracak ısı değiştirgeçlerinden yararlanılır. Kompresör girişine 1, kompresör çıkışı-kondenser girişine 2, kompresör çıkışına 3 ve evaporator girişine 4 dersek, Bu sistemdeki evaporatörün çevreden çektiği ısı : Qevaporatör = m * (h1 – h4) formülü ile hesaplanabilir. Burada m akışkan debisi (kg/s) ve h entalpidir (KJ/kg). Burada m akışkan debisi (kg/s) ve h entalpidir (KJ/kg). Soğutma çevriminde değişik akışkanlar kullanılabilir. Bu akışkanların özellikleri akıskan.exe programı olarak verilmiştir. Bu programın kopyesi internette: http://www.mam.gov.tr/~turhan/Thermodynamics/Thermodynamics.html adresinden alınabilir. Evaporatör giriş ve çıkış şartları bilindiğinde entalpi değerleri bu programdan hesaplanabilir. Kondenserde dışa atılan ısı ise Qkondenser = m * (h2 – h3) formülü ile hesaplanabilir. Kompresörün çektiği elektrik enerjisi : Wkompresör = m (h2 – h1) / ηmekani-elektrik formülü ile hesaplanır. Buradaki ηmekani-elektrik kompresör mekanik ve elektrik verimini ifade eder. Kondenser veya evaporatördeki ısı transferinin kompresöre verilen mekanik işe oranına etkinlik katsayısı (COP) adı verilir. COPevaporatör = Qevaporatör / Wkompresör COPkondenser = Qkondenser / Wkompresör Evaporator etkinlik katsayısı soğutma sistemlerinde, Kondenser etkinlik katsayısı ısıtma sistemlerinde (Isı pompalarında) kullanılır. 346 Şekil 20.4 Standart soğutma çevriminin ayrıntılı grafik gösterimi 347 Şekil 20.5 Standart soğutma çevriminin T-S diyagramında gösterimi Bu hesabı küçük bir örnek problemle görelim : Örnek 1 : Bir standart soğutma makinasında soğutma akışkanı olarak Freon-12 kullanılmaktadır. Akışkan kompresöre 1.4 Bar basınç ve –20 °C de 0.05 kg/s debi ile girmekte ve 8 bar 50 °C de çıkmaktadır. Akışkan kondenserden 26 °C de ve 7.2 de barda çıkmıştır. Akışkan genleşma vanasından 1.5 bar basınçta çıkmıştır. Evaporatördeki ısı çekimi, kondenserdeki ısı transferini bulunuz. Kompresörün mekanik-elektrik verimi 0.9 ise kompresöre giren elektrik enerjisini bulunuz. Sistemin soğutma sistemi ve ısı pompası olarak etkinlik katsayısını bulunuz. akiskan.exe programını kullanarak veya herhangi bir Freon-12 tablosundan entalpi değerleri aşağıdaki gibi bulunabilir. Burada şunu hemen belirtelim mutlak entalpi değerleri değişik referans değerleri kullanıldığından değişik olabilir, fakat entalpi farkları değişmez. evaporatör çıkışı : P1 = 1.4 bar T1 = -20°C de h1 = 179.01 KJ/kg olarak bulunur. Kompresör çıkışı : P2 = 8 bar T2 = 50°C de h1 = 179.01 KJ/kg olarak bulunur. Kondenser çıkışı : P3 = 7.2 bar 348 T2 = 26 °C de h3 = 60.68 KJ/kg olarak bulunur. h4=h3=60.68 KJ/kg (genleşme vanasında dışarıya enerji kaçağı-ısı transferi yoksa entalpi sabit kalır.) Bu değerleri kullanırsak : Qevaporatör = m * (h1 – h4) = 0.05kg/s * (179.01- 60.68) = 5.92 KW Qkondenser = m * (h2 – h3) = 0.05kg/s * (213.45 – 60.68) = 7.6385 KW Wkompresör = m * (h2 – h1) /hmekani-elektrik = 0.05kg/s/0.9*(213.45-179.01) = 1.913 KW COPevaporatör = Qevaporatör / Wkompresör =5.91/1.913=3.094 COPkondansör = Qkondansör / Wkompresör =7.6385/1.913=3.9929 Bu analizi yine http://www.mam.gov.tr/~turhan/Thermodynamics/Thermodynamics.html adresinde verilen sogutma.exe programını kullanarak da hesaplayabilirsiniz. Burada hemen belirtelim ki biz bu makinayı hem ısıtma hem de soğutma amacıyla kullanabilirsek verdiğimiz enerjinin yaklaşık 7 katını, sadece soğutma olarak kullanırsak 3 katını, sadece ısıtma için kullanırsak 4 katını almaktayız. Enerji kazanımı bakımından fabrikamızda makinamızı hem soğutma hem de ısıtma olarak kullanmamız bize büyük avantajlar sağlayabilir. Burada zor olan hem ısıtma hem de soğutma uygulamasını aynı prosessler içinde bulmaktan kaynaklanabilir 20.5 KASKAD SOĞUTMA ÇEVRİMİ (MAKİNASI) Kondenser sıcaklığıyla evaporatör sıcaklığı arasındaki fark çok büyük olduğunda kompresör çok fazla giriş işi (elektrik enerjisi) harcar. Bu elektrik enerjisi miktarını azaltmanın ve sistemin toplam etkinlik katsayısının arttırılmasının bir yolu Kaskad soğutma sistemlerinin kullanılmasıdır. Bu tür sistemler temel olarak iki bağımsız soğutma gurubundan oluşur. Düşük sıcaklıktaki sistemin kondansörünün ısısı yüksek sıcaklıktaki sistemin evaporatörü tarafından çekilir. Böylece kompresörün istediği toplam enerji düşeceği gibi, toplam çekilen soğu yükü de artar. Şekil 20.6 da bir Kaskat soğutma sistemi görülmektedir. Sistemin yüksek basınç ve alçak basınç taraflarında aynı akışkan kullanılacağı gibi, değişik akışkanların kullanılması da mümkündür. Temel olarak bu çevrim yukarıda anlattığımız çevrimin iki tanesinin bir araya gelmesinden oluştuğu için aynı denklemler kullanılarak hesaplanabilir. Temel ayrılık düşük basınç kondenseriyle yüksek basınç evaporatörünün ısıyı bir ısı değiştirgecinde birbirlerine aktarmalarıdır. Qevaparotör- A = Qkondenser- B = mA (h5 – h8) = mB(h2 – h3) 349 Şimdi bir örnekle kaskad soğutma sisteminin nasıl hesaplanacağını görelim : Şekil 20.6 Kaskad soğutma çevrimi Örnek 2 : İki kademeli bir kaskad soğutma sistemini göz önüne alalım. Bu sistemin her kademesinde aynı soğutma sıvısının kullanıldığını varsayalım. Bu sistem ideal standart soğutma çevrimiyle çalışsın ve soğutma akışkanı freon 12 olsun. Sistem çalışma basıncı 1.4 bar ile 8 bar arasında ise ve aradaki ısı değiştirgeci 3.2 barda çalışıyorsa, yüksek basınçlı soğutma sisteminin debisi 0.05 kg/s ise sistem soğutma etkinlik katsayısını bulunuz. Not : ideal standart soğutma çevrimi deyince kompresörde ısı transferi olmadığını, kompresör girişinin doymuş buhar ve kondenser çıkışının doymuş sıvı olduğunu kabul ediyoruz. Yüksek basınç soğutucumuz 8 bar ile 3.2 bar arasında çalışmaktadır. P5 = 3.2 bar T5 = 1.11 °C (kuruluk derecesi 1) h5 = 188 KJ/kg 350 P6 = 8 bar Entropi s6 = s5= 0.69595 KJ/kg K (bu şart kompresörde ısı transferinin olmaması anlamına gelir) T6 = 37.43 °C h6 = 204.18 KJ/kg P7 = P6 = 8 bar T7 = 32.74 °C (kuruluk derecesi 0) h7 = 67.3 KJ/kg P8 = 3.2 bar h7 = h8 = 67.3 KJ/kg T8 = 1.11 °C (kuruluk derecesi 0.2) Alçak basınç soğutucumuz 1.4 ile 3.2 bar arasında çalışmaktadır. P1 = 1.4 bar T1= -21.92 °C (kuruluk derecesi 1) h1 = 177.87 KJ/kg s1 = 0.710150 P2 = 3.2 bar T2 = 7.16 °C (s1=s2 = 0.710150 kompresörde ısı transferinin olmadığı kabul edildi) h2= 191.84 KJ/kg P3 = 3.2 bar T3 = 1.1 h3=37.08 KJ/kg P4 = 1.4 bar h4 = h3 = 37.08 T4 = -21.92 °C (kuruluk derecesi 0.1297) Düşük basınç soğutma sisteminin debisi ortadaki ısı değiştirgecinin enerji değişiminden bulunabilir. Qevaparotör- A = Qkondenser- B = mA (h5 – h8) = mB(h2 – h3) = 0.05 (188 – 67.3) = mB(191.94 – 37.08) mB = 0.039 kg/s 351 Qkondenser- A = mB (h6 – h7) = 0.05*(204.18 – 67.3) = 6.844 KW Qevaparatör- B = mA (h1 – h4) = 0.039*(177.87-37.08) = 5.49 KW Wkompresör = mA (h6 – h5) + mB (h2 – h1) = 0.05*(294.18-188)+0.039*(191.97-177.87) = 1.36 KW COPevaparatör- B = Qevaparatör- B / Wkompresör = 5.49/1.36 = 4.04 8 bar ile 1.4 bar arasındaki ideal standart soğutma çevrimini hesaplarsak COP değeri 3.59 olarak bulunur. (bunu ödev olarak siz hesaplayınız) kaskad sistemde ise 4.04 e tırmanmıştır. Daha fazla kaskad stepleri kullanarak verimi daha da arttırmamız mümkündür. Kompresörü ara soğutma kademeli olarak birden fazla kademeler halinde yaparak da belli bir enerji tasarrufu sağlanabilir. Kaskat sistemlerde aynı zamanda toplam soğutma ısı transferi de artmaktadır. 20.6 GAZLARIN SIVILAŞTIRILMASI Günümüzde –75 derece santigradın altındaki sıcaklıklarda gazların sıvılaştırılması, sanayideki önemli bir prosestir. Örnegin sıvılaştırılmış azot gazı bir çok sanayide temel girdi olarak kullanılmaktadır. Şekil 20.7 Gaz sıvılaştırma çevriminin şematik görünümü 352 Şekil 20.8 Gaz sıvılaştırma çevriminin T-S diyagramı Temel girdi olarak kullanılmaktadır. Bu tür sıvılaştırma işlemleri için standart soğutma çevriminin modifiye edilmiş şekilleri kullanılır. Şekil 20.7 de bu tür bir sıvılaştırma sisteminin diyagramı ve şekil 20.8 de T-S diyagramında görünümü mevcuttur. Diyagramdan da görüleceği gibi sisteme giren gaz çok kademeli bir kompresörde sıkıştırılmakta, daha sonra bir soğutucuda soğutulduktan sonra bir ısı değiştirgecinde daha fazla soğutulmakta ve genleşme vanasında genleştirilmektedir. Genleşme sonunda gazın bir kısmı sıvılaşmakta, sıvı kısım sıvı gaz ayrıştırıcısında ayrılırken geri kalan gaz önce ısı eşanjöründe ısınmakta, sonra da kompresöre gitmektedir. Bu tür proseslerin kullanımında enerji veriminin yükseltilmesinde ısı değiştirgecinin verimi ve kompresör verimi çok önemlidir. Verimi arttırmak için kompresörün her kademede soğutulması gerekir. Bu tür çevrimlerde çok yüksek basınçlar kullanıldığından genleşme vanası yerine türbin kullanılması ve kompresör enerjisinin bir kısmının türninden sağlanması büyük sistemlerde ekonomik olabilir. 20.8 TERMOELEKTRİK (PELTİER) SOĞUTMA SİSTEMLERİ Birbirinden ayrı malzemeden yapılmış iki teli uçlarından birbirine bağlar ve devreden elektrik akımı geçirirsek bir ucun ısınırken diğer ucun soğuduğunu görürüz. Eğer ısınan tarafdaki ısıyı devreden atarsak, soğuyan taraftan sürekli olarak ısı çekebiliriz. İlk defa Thomas Seebeck tarafından bulunan bu etki soğutma makinası olarak kullanılabilir. Soğutma makinası olarak kullanım ilk defa peltier tarafından gerçekleştirilmiştir ve Peltier etkisi olarak anılır. Günümüzde bilhassa küçük elektrik devrelerinin soğutulmasında pratik olarak kullanılan bu sistem, COP katsayısı standard soğutma makinasının verimine henüz ulaşmadığı için büyük sistemlerde pek 353 kullanılmamaktadır. Bu sistemlerin tercih nedeni küçük boyutlarda kullanılabilmesi, sessiz çalışması ve güvenilirliğidir. Bu sistemlerin COP değerlerini arttırmak için yeni metal çiftleri üzerinde çalışmalar sürmektedir, bu çalışmalar sonucunda gelecekte standard soğutma çevriminin üzerinde COP değerlerinin yakalanması mümkün olarak görülmektedir. 20.9 GAZ TÜRBİNİ SOĞUTMA MAKİNASI (BRAYTON ÇEVRİMİ) Gaz türbini soğutma makinası bir gaz türbini, bir kompresör ve iki ısı değiştirgecinden oluşur. Gaz kompresörde sıkıştırıldıktan sonra bir ısı eşanjöründe soğutulur (çevreye ısı atılır). Daha sonra bir türbinde genleştirilen ve soğuyan gaz ikinci bir ısı eşanjöründe ortamdan ısı çekmek için kullanılır. Eğer çalışma gazı havaysa ve ortam soğutulmasında kullanılıyorsa bu ısı değiştirgecine gerek kalmadan soğuyan hava direk olarak ortama gönderilebilir. Bu sistemin COP değeri de standard soğutma sistemine göre daha kötüdür. Şu andaki en önemli uygulaması uçak kabinlerinin soğutulması (veya ısıtılmasıdır) dır. Bu uygulamada uçak gaz türbinin kompresöründen alınan sıkışmış hava bir ısı değiştirgecinde soğutulduktan sonra küçük bir türbinde genleştirilerek kabin içine verilir. 20.10 SOĞUTMA SİSTEMLERİNDE ENERJİ VERİMİNİN ARTTIRILMASI İÇİN GÖZ ÖNÜNDE BULUNDUTULMASI GEREKEN NOKTALAR Soğutma sistemleri oldukça yüksek miktarda enerji harcayan sistemlerdir. Bu yüzden bu sistemlerin enerji verimi açısından optimizasyonu önemli olabilir. Soğutma sistemlerinde dikkat edilmesi gereken en önemli nokta soğuk akışkanın taşınımında boruların çok iyi bir şekilde izolasyonudur. Sistem çok iyi bir şekilde izole edilmeli, kaçaklar gerekirse periodik olarak thermal kameralarla kontrol edilmelidir. Büyük çaplı sistemlerde çok kademeli kompresörler, kaskad sistemler kullanılmasına gidilebilir, tabi bu tüm diğer mühendislik sistemlerinde olduğu gibi ilk yatırım maliyetlerindeki artışla enerjideki azalma arasındaki optimizasyon sağlanarak hesaplanmalıdır. Çok kademeli kompresörlerde ara soğutma toplam enerji verimi açısından oldukça önemlidir, bu yüzden etkili bir ara soğutma uygulanmalıdır. Soğuma sisteminin toplam verimi açısından kondenser ve evaporatör verimleri de oldukça önemlidir. Boruyla iyi bağlantı sağlamamış bir kanatçık veya hava sirkülasyonunu sağlayan fandaki bir bozukluk toplam sistem verimimizi etkileyebilir. Büyük sistemlerde pratik olarak aldığımız soğutma yükü periodik olarak ölçülmeli ve dizayn şartlarıyla karşılaştırılmalıdır. Dizayn şartlarına göre soğuma yükünde düşmeler veya kullanılan elektrik girdisinde artma tesbit edilirse sebebi araştırılıp düzeltilmelidir. 354 14. KURUTMA SİSTEMLERİ 1. GİRİŞ Kurutmanın tanımını basit bir şekilde yapmak güçtür. Kurutma, genel olarak bir maddenin (katı, sıvı veya gaz) içerdiği nemin kısmen veya tamamen giderilmesi olarak tanımlanmaktadır. Buradaki nem kavramı, su içeriği anlamında kullanılmaktadır. Endüstriyel uygulamalar açısından bakıldığında kurutma, sıvı bir maddenin katı bir maddeden uzaklaştırılması olayıdır. Sıvı, su veya başka bir madde olabilmektedir. Kurutma işleminin tarihi çok eski çağlara dayanmaktadır. İnsanlar yerleşik düzene geçtikleri tarihten beri tarım ürünlerini güneş enerjisinden yararlanarak kurutmaya başlamışlardır. O tarihten beri, kurutma işlemi insanların bütün üretim ve endüstriyel faaliyetlerinde kullanılmaya devam etmektedir. En eski endüstriyel faaliyetlerden biri olan toprak ve seramikten yapılmış malzemeler, kullanılan hammaddelerin kurutulması ve pişirilmesiyle elde edilmektedirler. Günümüzde ise, kurutma endüstriyel faaliyetlerde çok yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Hemen hemen bütün endüstri kollarında kurutma işleminin kullanıldığı söylenebilir. Kurutmanın en yaygın şekilde kullanıldığı endüstriler arasında kimya, gıda, toprak - seramik, tarım, tekstil ve ilaç sayılabilir. Kurutma, enerjinin yoğun olarak kullanıldığı bir işlemdir. Bu nedenle endüstriyel kurutma işlemlerinde tüketilen enerjinin mümkün olduğu kadar düşük tutulması için önlem alınmalıdır. Kurutma en uygun şekilde ve gerektiği ölçülerde yapılmalıdır. Enerji giderleri ve kurutmanın getirisi göz önüne alınarak, kurutma işleminin optimize edilmesi gerekmektedir. Mümkünse az enerji harcayan ve etkinliği yüksek olan yeni kurutma teknolojilerinin kullanılması yoluna gidilmelidir. 2. KURUTMANIN AMACI Kurutma işlemi çeşitli amaçlarla uygulanmaktadır. Bunları aşağıdaki başlıklar altında toplamak mümkündür : 2.1 Hacim veya Ağırlığı Düşürmek Hacim ve ağırlığı düşürerek maddelerin taşınma, depolanma ve kullanılma işlemlerini daha kolay ve ekonomik hale getirmek mümkündür. Taşıma maliyeti, maddenin içerdiği nem miktarı ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Onun için özellikle, uzak 355 mesafelere taşınan maddelerin nem oranlarının mümkün olduğu kadar düşük olması gerekmektedir. Kurutma işleminin enerji yoğun bir işlem olduğu göz önüne alınarak, enerji maliyetleri ile taşıma maliyetleri arasında bir dengenin kurulması gerekmektedir. Örneğin kömür - su karışımları gemiye yüklenmeden önce, karışımın içerdiği suyun uzaklaştırılması ve belli bir ölçüde kurutulması gerekmektedir. Aynı şey birçok hammadde için geçerlidir. 2.2 İstenen Özelliklerde Ürün Elde Etmek Kurutma ve nem içeriğini ayarlamanın en önemli amaçlarından biri de istenen özelliklere sahip hammadde veya ürün elde etmektir. Örneğin çimento sanayiinde kullanılan kömürü daha kolay öğütülebilmesi için kurutulmaktadır. Seramik endüstrisinde hammadde olarak kullanılan kaolininin, kullanılmadan önce kurutulması gerekmektedir. Gıda sanayinde meyve ve sebzeler kurutularak hem daha uzun ömürlü, hem de daha kolay taşınır ürünlere dönüştürülmektedir. Yine bazı kimyasal maddeler, tablet haline getirilmek amacıyla kurutulmaktadırlar. 2.3 Ürünleri Sterilize Etmek ve Korumak Özellikle ilaç ve gıda endüstrilerinde, ürünleri sterilize etmek veya korumak amacıyla ürünlerin nem içeriği ayarlanmaktadır. Böylece, nemin neden olduğu küflenme, çürüme ve bozulmaları önlemek mümkün olmaktadır. 2.4 Çözelti ve Sulu Atık Çözeltilerden Yan Ürün Elde Etmek Bazı endüstriyel proseslerde, çözelti halinde bulunan ara ürünlerden son ürüne geçmek için kurutma uygulanmaktadır. Örneğin, deterjan bir sıvı çözelti halinde üretilmekte ve bu ara ürün sprey kurutucularda kurutularak toz deterjanlara dönüştürülmektedir. Bunun gibi süt tozu, üretilirken de benzer bir uygulama söz konusu olmaktadır. 3. TEMEL KAVRAMLAR 3.1 Kurutma Kurutma, bir maddeden (katı, sıvı, gaz) suyun veya bir sıvının uzaklaştırılması işlemidir. Kurutma işlemi, kurutulacak maddenin ısıtılması yoluyla gerçekleşmektedir. 3.2 Nem İçeriği 356 Daha önce de belirtildiği gibi, kurutma işleminde ortamdan uzaklaştırılan şey sıvı bir madde, su veya başka bir madde olabilmektedir. Ancak pratikte daha çok söz konusu olan, suyun uzaklaştırılmasıdır. Bu nedenle aksi belirtilmediği sürece, burada nem kavramı, katı maddelerin içerdiği su miktarını, kurutma ise katı bir maddeden suyun uzaklaştırılması anlamında kullanılacaktır. Nem içeriği iki temele göre tanımlanabilmektedir : Yaş temele göre nem oranı : 1kg nemli maddenin taşımış olduğu su miktarıdır ve kg su/kg nemli madde şeklinde tanımlanmaktadır. Bu oran şu şekilde de ifade edilebilmektedir : Hw = Wd/(1 + Wd) ( 1) Burada, Hw = yaş temele göre nem oranı, Wd = bir kg kuru maddenin taşıdığı nem miktarı (kg su/kg kuru madde) Kuru temele göre nem oranı : 1kg kuru madde başına düşen su miktarıdır ve kg su/kg kuru madde şeklinde ifade edilmektedir. Kuru temele göre nem oranı aşağıdaki bağıntı ile ifade edilebilmektedir : Hd = Ww/(1 - Ww) Burada, ( 2) Hd = kuru temele göre nem oranı, Ww = bir kg yaş madde başına düşen nem oranı (kg su/ kg yaş madde). Nemi yüzde olarak hesaplamak için, yukarıda verilen ifadelerin 100 ile çarpılması gerekmektedir. Bu iki temele göre hesaplanan nem oranlarının birbirinden çok farklı olabileceğine dikkat etmek gerekmektedir. Örnek 1 : 357 Yaş temele göre % 40 oranında nem içeren bir maddenin kuru temele göre nem yüzdesini bulunuz. Yaş temele göre %40 oranında nem, her 100 kg yaş maddenin 40 kg su taşıdığı anlamına gelmektedir. Ww = 40/100 = 0.4 kg su /kg yaş madde ( = %40 nem) Hd = 0.4/(1 - 0.4) = 0.666 kg su/ kg kuru madde ( %66.6 nem) Görüldüğü gibi nem oranı, yaş ve kuru temele bağlı olarak birbirinden hayli farklı olabilmektedirler. Bu iki temele göre hesaplanan nem oranlarının birbirleri ile ilişkileri Şekil 1’ de görülmektedir. Şekil 1.Yaş ve kuru baza göre hesaplanan nem oranlarının dönüştürülmesi grafiği. Nem oranı bu iki temele göre hesaplanmasına karşın, kurutucu tasarımında daha çok kuru temele göre yapılan nem oranı kullanılmaktadır. Bir maddenin nem içeriğini kabaca iki grupta toplamak mümkündür : 1. Yüzey nemi 2. Bağlı nem 358 Ancak bunların yanı sıra, bir çok nem tanımı bulunmaktadır. Bunlardan en çok kullanılanları aşağıda kısaca açıklanmıştır : 3.2.1 Yüzey Nemi Maddenin yüzeyinde fiziksel olarak bağlı olan nemdir. Daha çok maddenin herhangi bir şekilde su ile temasa gelmesi ve suyun yüzeyde tutulması şeklinde gerçekleşmektedir. Bu nem, maddenin 105oC’ da ısıtılmasıyla kolaylıkla uzaklaştırılabilmektedir. 3.2.2 Bağlı Nem Bağlı nem, maddenin yapısı içinde tutulan nemdir. Bu nem, yapıdaki kılcal kanallarda fiziksel olarak tutulan nemi, kristal suyu ve/veya kimyasal olarak bağlı olan suyu kapsamaktadır. Bu nemin uzaklaştırılması, yüzey nemine kıyasla çok daha zordur. Kurutma sürecinde ısı ve kütle aktarımı olayları bir arada gerçekleşmektedir. Daha sonraki bölümlerde tartışılacağı gibi, bu nemin uzaklaştırılması bir çok etken tarafından etkilenebilmektedir. Bazı maddelerde kristal veya kimyasal nemin uzaklaştırılması yapısal değişiklere de neden olabilmektedir. Örneğin, killerde ve boraks penta hidratta durum böyledir. 3.2.3 Serbest Nem Herhangi bir sıcaklıkta uzaklaştırılabilen nemdir. Bu nem, hem yüzey hem de bağlı nemi içerebilmektedir. 3.2.4 Denge Nemi Belirli sıcaklık ve çevre atmosferi koşulları altından uzaklaştırılabilen nem miktarıdır. Bu nem, kurutmanın yürütüldüğü koşullara ve maddelerin özeliklerine bağlı olarak değişmektedir. 4. KURUMANIN KURAMSAL İRDELENMESİ 359 Kurutma işleminin kuramsal olarak irdelenmesi bir çok araştırmanın konusu olmuştur. Ancak burada bu çalışmaların ayrıntısına girilmeyecek ve genel hatları üzerinde durulacaktır. Kuruma işlemi temel olarak bir ısı ve kütle aktarımı olayıdır. Maddenin ısınması sırasında bu iki olay birlikte gerçekleşmektedir. Ancak, kurumanın geçtiği aşamaya bağlı olarak, bunlardan biri diğerinden daha baskın olabilmektedir. Başka bir ifadeyle kuruma hızını kontrol etmektedir. Hangi mekanizmanın kurumayı kontrol ettiği, kurumanın geçtiği aşamaya, kurutulan maddenin özelliklerine ve kurumanın koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Genel olarak nem içeren herhangi bir katı madde ısıtıldığı zaman aynı anda gerçekleşen iki süreçten geçmektedir. 1. Maddenin ısınması ve suyun buharlaşması (Isı ve kütle aktarımı), 2. Katı maddenin yapısında bulunan suyun yüzeye taşınması ve burada buharlaşması (Kütle aktarımı) Isı aktarımı konveksiyon, kondüksiyon, radyasyon veya bunların ikisinin veya üçünün bir arada yürümesi ile gerçekleşmektedir. Isı aktarımının etkin bir şekilde gerçekleşebilmesi için kurutulan madde ve kurutucu gazın çok iyi temasa getirilmesi ve iki madde arasında yeterli bir sıcaklık ve nem farkının olması gerekmektedir. Bunu sağlamak amacıyla çok çeşitli kurutucular geliştirilmiş bulunmaktadır. Bunlar üzerinde ilerideki bölümlerde durulacaktır. Kütle aktarımı, daha çok kurutulan katı maddenin özelliklerine bağlıdır. Suyun önce yapıdan ayrılması (Kimyasal bağlı su), sonra da kılcal kanalcıklardan ilerleyerek yüzeye ulaşması gerekmektedir. Kütle aktarımını etkileyen en önemli etkenler, maddenin gözenek özellikleri, gözenek dağılımı, tanecik boyutu, tanecik ve içinde oluşan basınçtır. Yüzeye ulaşan suyun buharlaşması da aynı zamanda bir kütle aktarımı olayıdır ve belirli ölçülerde tanecik içinden yüzeye olan su akışını etkileyebilmektedir. Ancak yüzeydeki suyun buharlaşması tanecik özelliklerinden çok, kurutucu gazın, sıcaklığı, nem miktarı ve hızı gibi kuruma koşulları tarafından etkilenmektedir. 4.1 Kurumayı Etkileyen Dış Koşullar Yüzeydeki nemi uzaklaştırmada rol oynayan etkenler, tanecik özelliklerinden çok, tanecik dışı parametrelerdir (dış koşullar). Bu parametrelerin başlıcaları, kurutma için kullanılan gazın sıcaklığı, nem oranı, hızı, gaz ile malzeme arasındaki temas şekli ve 360 etkinliği ile malzemenin fiziksel formudur. Bütün bu parametreler, kurutma için kullanılan kurutucunun tasarımı ile yakından ilgilidir. Dış koşullar, yüzeydeki serbest nemin (bağlı nemin) uzaklaştırıldığı kurumanın ilk aşamasında büyük önem taşımaktadır. Bu aşamada, kuruma sürecinin hızını kontrol eden şey, malzemeye aktarılan ısı miktarıdır. Kurutma hızı, havanın sıcaklığı ve nem içeriği değiştirilerek ayarlanabilmektedir. Yüzeydeki serbest nemin uzaklaştırılması, sanıldığı gibi, her zaman hızlı bir şekilde gerçekleşmeyebilir. Örneğin, seramik ve kereste gibi bazı malzemelerin kurutulması sırasında, yüzeydeki serbest nemin uzaklaştırılması tamamlandıktan sonra, kurumanın hızlı bir şekilde devam etmesi durumunda, yapı içinde büyük bir nem ve basınç gradieni oluşmaktadır. Bunun sonucunda malzemede çatlamalar ve kırılmalar meydana gelebilmektedir. Bunun önüne geçebilmek için, havanın sıcaklığı ve/veya nem oranı ayarlanarak kurumanın daha yavaş ve yumuşak bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Yüzeydeki nemin buharlaşma hızı, özellikle yüksek oranlarda serbest nem söz konusu olduğu zaman, önem kazanmaktadır. Buharlaşma, malzemenin yüzeyindeki serbest nemin malzeme ile temasta olan bir hava filmi içinden geçerek difüzyon yoluyla çevreye aktarılması şeklinde gerçekleşmektedir. Bu hava filmi, kütle aktarımı açısından büyük önem taşımaktadır. Film, malzeme ile çevre arasında hem kütle hem de ısı aktarımına karşı bir direnç yaratmaktadır. Filmin kalınlığı, gazın hızının arttırılması ile önemli ölçüde azalmakta ancak tümü ile ortadan kalkmamaktadır. Malzemenin yüzeyinde serbest nem olduğu sürece, bu filmin iç yüzeyi su buharı ile doygun durumda olmaktadır. Böylece malzemenin yüzeyinden itibaren film ve gaz kütlesi boyunca devam eden bir buhar basıncı gradieni oluşmaktadır ve buna bağlı olarak buharlaşma gerçekleşmektedir. Buharlaşma, malzemenin yüzey alanı ve tanecik yüzeyi ile gaz kütlesi içindeki buhar basıncı arasındaki farkla doğru orantılı, filmin kalınlığı ile ters orantılı olarak artmaktadır. Buharlaşma hızını arttırmak için değiştirilmesi gereken parametreler ve bunun pratikte nasıl yapıldığı Tablo 1 ‘de özetlenmiştir. 361 Çizelge 1. Kurumayı etkileyen bazı parametreler ve bunların uygulamada ayarlanması yöntemleri Parametre Değişimi 1. Malzemenin yüzeyi büyütmek. 2. Gaz hızını arttırmak. 3. Gazın nem oranının görece düşük Tutmak 4. Gazın sıcaklığını görece yüksek tutmak Pratikte Uygulanan Yöntem Malzemenin boyutunu, mümkün olduğu kadar, düşük tutmak (tanecik halde hazırlamak) Bir fan vasıtasıyla gazın debisi ayarlamak. Kurutucuya beslenen taze havanın debisini ayarlamak. Kurutucuya beslenen gazı ısıtmak, kurutucuya yanma gazları göndermek, kurutucu içine ısıtma yüzeyleri yerleştirmek. Serbest nemin buharlaşması süresince, yüzeyle temasta olan gaz filmi buharla doygun durumda olduğu için, katı malzemenin yüzey sıcaklığı, gazın yaş termometre sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta olmaktadır. 4.2 Kurumayı Etkileyen İç Koşullar Kurutma işlemi sırasında bir taraftan yüzeydeki serbest nem buharlaşırken, bir taraftan da malzeme yüzeyden başlayarak ısınmakta ve malzeme içinde bir sıcaklık gradieni oluşmaktadır. Bunun sonucunda yapı, içindeki su çeşitli yollarla yüzeye doğru hareket etmektedir. Suyun bu hareketi difüzyon, kılcal akış ve basınç altında akış şeklinde veya bunların bir almaşığı şeklinde gerçekleşebilmektedir. Sonuçta, malzemenin içinde bir nem gradieni oluşmaktadır ve su yüzeye doğru hareketlenmektedir. Suyun yüzeye akışı, iki açıdan önem taşımaktadır : 1. Malzemedeki nem, kritik nem oranın altına düştüğü andan itibaren kuruma sürecini kontrol eden mekanizma olmaya başlamaktadır. Bu koşullarda kurumanın ilerleyebilmesi için, ya sıcaklığın attırılması veya kuruma süresinin uzatılması gerekmektedir. Suyun yapı içindeki hareketi sırasında, daha önce de belirtildiği gibi, bazı malzemelerde gerilmelere ve bunun sonucunda çatlamalara neden olabilmektedir. Bunun için kurutmanın kontrollü yürütülmesi gerekmektedir. Kurumayı etkileyen malzeme özellikleri; tanecik boyutu, gözenlilik özellikleri ve suyun yapı içindeki konumudur. 4.3 Kurumanın Aşamaları 362 Nem içeren bir maddenin kurutulması kabaca üç aşamadan geçerek gerçekleşmektedir (Williams - Gardner, 1971): 1. Isınma aşaması. 2. Sabit hızda kuruma aşaması. 3. Düşen hızda kuruma aşaması. Şekil 2’ de kuruma sürecinde, malzemenin nem içeriğinin ve kuruma hızının zamanla değişimini gösteren eğriler gösterilmektedir. Şekil 2a’ da görüldüğü gibi, nem başlangıçta hızlı bir şekilde uzaklaştırılmakta, ancak daha sonra kuruma yavaşlamaktadır. Şekil 2b’ de ise bu kuruma aşamalarındaki kuruma hızlarının değişimi görülmektedir. Kuruma aşamalar aşağıda kısaca açıklanmıştır. Şekil 2. Kuruma eğrisi. a) Nem miktarının zamanla değişimi. B) Kuruma hızının zamanla değişimi. 363 4.3.1 Isınma Aşaması Kuruma sürecinin başlangıcını gösteren bu aşamada (AB), malzeme ısınmaktadır. Önemli bir buharlaşma söz konusu değildir. Isınma süresi, kurutucunun çalışma koşulları ve kurutulacak malzemenin fiziksel özelliklerine bağlı olarak kısa veya uzun olabilmektedir. 4.3. 2 Sabit Hızda Kuruma Serbest yüzey nemi (bağlı olmayan nem) taşıyan malzemelerin kurutulması sırasında, ilk aşamada yüzeydeki nem buharlaşmaktadır. Yüzeyde serbest nem olduğu sürece, buharlaşma hemen hemen malzemenin yapısındaki sudan bağımsız olarak yürümektedir. Bu sürede, kuruma (buharlaşma) hızı sabittir. Radyasyon ve kondüksiyon ısı aktarımının katkısı ihmal edilirse, sıvı filmi ve malzemenin yüzey sıcaklığı hemen hemen sabittir ve yüzey üzerinde akan hava akımının yaş termometre sıcaklığına yakın bir seviyededir. Ancak pratikte, durum bundan farklı olabilmektedir. Radyasyon ve kondüksiyon ısı aktarımının katkısı önemli olabilir. Bu durumda malzemenin yüzey sıcaklığı, gazın yaş termometre sıcaklığından daha yüksek olabilmektedir. Dolaylı temaslı kurutucularda durum böyledir. Bu durumda kuruma hızı daha yüksek olabilmektedir. Bu aşamada kurumanın hızını kontrol eden mekanizma su buharının gaz filmi içindeki difüzyonu ve ısı aktarımıdır. Kuruma hızı, kurutucunun ısı ve kütle aktarım özellikleri, gazla temasta olan malzeme yüzeyi, malzeme ile gazın nem oranları ve sıcaklıkları arasındaki fark gibi çalışma koşulları tarafından etkilenebilmektedir. Bu değişkenlerin değeri arttırılarak kurutma hızı arttırılabilir. Sabit hızda kuruma süreci, malzemenin ortalama nemi kritik nem seviyesine düşünceye kadar devam eder. Şekil 2 ‘de C noktasıyla gösterilen bu noktadan sonra yüzeydeki sıvı filmi çok incelmekte ve yer yer kuru ve sıcak noktalar oluşmaya başlamaktadır. Kuruma, yüzeydeki nem ile malzemenin bünyesinde bulunan ve yüzeye doğru çıkan nemin buharlaşması şeklinde gerçekleşmektedir. 4.3.3 Düşen Hızda Kuruma Malzemenin ortalama nem oranı kritik nem değerinin altına düştükten sonra, kurumanın hızı aşamalı olarak düşmeye başlamaktadır. Pratikte, kurutucularda Şekil 2a’ da görüldüğü şekilde keskin bir geçiş söz konusu değildir. Bir taraftan yüzeydeki serbest nem buharlaşırken bir taraftan da malzemenin bünyesindeki nem çeşitli yollarla yüzeye taşınmakta ve burada buharlaşmaktadır. Yani, kuruma iki 364 mekanizmaya göre yürümektedir. Ancak buharlaşma hızı daha düşük seviyelerde kalmaktadır. Bu sırada, sabit hızda kurumanın hızını etkileyen ve yukarıda açıklanan faktörler kuruma hızını etkilemeye devam etmektedir. Zaman ilerledikçe, yüzeydeki ıslaklık tamamen kaybolmakta ve kuruma, yüzeye ulaşan bünye neminin uzaklaştırılmasına dönüşmektedir. Bu noktadan sonra, kurumanın hızı suyun yüzeye taşınma hızı tarafından kontrol edilmekte ve gittikçe düşmektedir. Kurutucunun çalışma koşullarının (dış koşullar) etkisi büyük ölçüde azalmaktadır. Ancak, ısı aktarımının hızlandırması açısından, gazın hızı etkisini sürdürebilmektedir. Malzemeye ısı aktarımı, konveksiyon ve kondüksiyon yoluyla gerçekleşmektedir. Kuruma sırasında, önce malzemenin yüzeye yakın bölgeleri kuruduğundan ve daha derinlerdeki suyun uzaklaştırılması söz konusu olduğundan, kuruma hızı gittikçe azalmakta, kuruma süresi ise uzamaktadır. Kuruma süresi yaklaşık olarak malzemenin kalınlığının karesi ile artmaktadır. Dolayısıyla nemin çok düşük değerlere düşürülmesi gerektiği durumlarda, malzemenin mümkünse, küçük boyutlarda hazırlanarak kurutulması enerji tüketiminin azaltılması açısından yararlı olacaktır. Örneğin, küçük parçalar halinde kurutmak, öğütmek, granül hale getirmek, ince bir tabaka şeklinde kurutucuya koymak, ….gibi. Endüstriyel uygulamalarda, kurutulacak maddenin özellikleri ve kurutma derecesi göz önüne alınarak kurutma yapılmaktadır. Çok büyük oranda nem içeren maddelerin sadece kısmen kurutulması isteniyorsa, yalnız sabit hızda kurutma işlemi yeterli olabilir. Buna karşın, serbest yüzey nem oranı çok düşük olan bir maddenin kurutulması söz konusu ise, kurutma tümü ile azalan kuruma hızı periyodunda gerçekleşecektir. Bu durumda, kuruma süresi çok daha uzun olacaktır. Pratikte, genellikle, her iki kuruma mekanizması bir arada gerçekleşmektedir. Kurutucu tasarımı veya seçimi yapılırken, kurutulacak malzemenin özelliklerinin çok iyi incelenmesi gerekmektedir. Hiç bir zaman gerektiğinden fazla kurutma yapılmamalıdır. Çünkü bu gereksiz yere enerji israfına neden olmaktadır. 4.3.4 Denge Nemi Bir maddenin içerdiği nem, belli bir değerde buhar basıncı yaratmaktadır. Bu basınç, nemin türü, maddenin özelikleri ve sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir. Böyle bir madde, hava ile temasa getirildiğinde nem kaybetmeye başlar ve bu, maddenin içindeki buhar basıncı havanın içindeki buhar basıncına eşitleninceye kadar devam eder. Buhar basınçlarının eşitlendiği, başka bir deyimle nem alış verişinin dengeye ulaştığı anda katının sahip olduğu nem miktarı denge nemi olarak isimlendirilmektedir. Denge nemine ulaşılınca kuruma durur. Kurumanın devam edebilmesi için, nem oranı daha düşük bir hava akımının kullanılması gerekmektedir. 365 Denge nemi değerleri toplam basınç ve sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Nem alış verişi iki yönlü olarak gerçekleşen bir olaydır. Yani madde nem yitirdiği gibi, ortamdan nem de kapabilmektedir. Günlük hayatta, meyve, sebze, balık gibi gıda maddeleri ile çeşitli tekstil ürünlerinin açık havada kurutulması bu prensibe dayanmaktadır. Denge nem oranı, endüstriyel kurutma açısında önem taşımaktadır. Atmosfere açık bir şekilde depolanan ve/veya kullanılan malzemelerin nemini, denge neminin altına düşecek şekilde kurutmanın bir anlamı yoktur. Böyle bir işlem gereksiz yere enerji tüketimine ve kurutucunun kapasitesinin düşmesine yol açmaktadır. Bu şekilde kurutulmuş olan maddeler atmosferik ortama çıktığı anda, denge nemine ulaşıncaya kadar tekrar nem çekmektedir. Çizelge 2’ de 25 oC sıcaklık ve %50 doygunluktaki (bağıl nem : %55 ) atmosferik koşullarda depolanan çeşitli malzemelerin denge nemleri görülmektedir. Çizelge 2. Çeşitli malzemelerin 25 oC sıcaklık ve %50 doygunluktaki (bağıl nem : %55 ) atmosferik koşullarda denge nemleri . Malzeme Beyaz ekmek Deri Kağıt (Gazete) Kauçuk Keten Giyecekler Naylon Orlon %Denge Nemi (Kuru temel) 6.2 16.0 5.3 0.6 5.1 3.1 1.4 Malzeme Odun (ortalama) Pamuk (Nem çek.) Pamuklu Giysiler Sabun Un Yün %Denge (Kuru temel) 9.2 18.5 6.0 10.0 8.0 Nemi 12.8 5. KURUMA HIZI Kurutma sürecinde, kurutma ile ilgili hesaplamaları yapmak için, genellikle, kurutulan malzemenin nem içeriği ve sıcaklığının zamanla değişimi, kurutucu gazın kurutucuya giriş ve kurutucudan çıkış debileri ve bileşimi (nem oranları) deneysel olarak ölçülmektedir. Elde edilen veriler kullanılarak kurutulan malzemenin neminin ve kuruma hızının zamanla değişimi hesaplanmaktadır. Hesaplanan değerler ise kurutucu tasarımında kullanılmaktadır. Kurutma hızı, matematiksel olarak şu genel bağıntı ile tanımlanmaktadır : 366 R=− 1 dW = h(Tg −T) = kp (P− pg ) = kH (H−HS ) A dt (3) Bu denklemde R = kuruma hızını, h = kurutulan malzeme ile kurutucu gaz arasındaki ısı aktarım katsayısını, kP, kH = kurutulan malzeme ile kurutucu gaz arasındaki kütle aktarım katsayılarını, g indisi gazı göstermektedir. Bu eşitlikte görüldüğü ve daha önce de belirtildiği gibi, kurumanın gerçekleşmesini sağlayan itici kuvvet, malzeme ile kurutucu gaz arasındaki nem farkıdır. Bu fark sıcaklık veya kısmı basınçlar şeklinde ifade edilmektedir. Literatürde ısı ve kütle aktarım katsayılarıyla ilgili çok sayıda bağıntı bulunmaktadır. Bu bağıntılar kullanılarak kurutma hızı hesaplanmaktadır. Doğrudan temaslı kurutma işleminde ısı ve kütle aktarım katsayılarını etkileyen hava ile ilgili en önemli parametreler i. ii. Kurutma havasının nem içeriği, Kurutucu havanın debisidir. Ancak kuruma süreci çeşitli etkenler tarafından etkilenebilmektedir. Bu nedenle ısı ve kütle aktarımı için geliştirilen modellerden önemli sapmalar meydana gelebilmektedir . Bu faktörlerin bazıları şunlardır . • • • • • Kuruma sırasında malzemenin yüzeyinin değişmesi, Yüzeyin düzgün olmaması, Gözenek ve kılcal özelliklerinin değişmesi, Yapıda çatlamaların meydana gelmesi, Taneciklerin aglomerasyona uğraması. 6. NEM ORANLARININ HESAPLANMASI 6.1. Mutlak Nem Mutlak nem, herhangi bir sıcaklıkta bir kg kuru havanın taşımış olduğu kg su miktarıdır. Hava su buharı ile doymuş ise, mutlak nem en yüksek değerine ulaşmış olacaktır. Bu psikometrik diyagramda doygunluk eğrisi ile temsil edilmektedir. Bu koşullarda buharın kısmı basıncı (p) aynı sıcaklıktaki suyun buhar basıncına (ps) eşittir. Yanı, p = pS dır. Mutlak nem oranları aşağıdaki bağıntılarla ifade edilmektedir (Çataltaş, 1972; Himmelblau, 1989) : 367 H = p 18 ( ) PT − p S 29 (4) Doygunluk koşullarında, mutlak nem ifadesi : HS = pS 18 ( ) P − pS 29 (5) Burada: H = nem (kg su/kg kuru hava). HS = mutlak nem (kg su/kg kuru hava). PT = toplam basınç. p = T sıcaklığında bir karışımdaki kısmı su buharı basıncı. pS = T sıcaklığında suyun buhar basıncı. 6.2 Yüzde Mutlak Nem Yüzde mutlak nem, mutlak nemin doygunluk anında ulaşılan maksimum nem miktarına oranı şeklinde ifade edilmektedir : HA = H p P − pS = ( ) HS pS P − p (6) 6.3 Bağıl Nem Bağıl (relatif) nem veya bağıl rutubet olarak da bilinmektedir. Bağıl nem, (HR) herhangi bir andaki nemin, ayni sıcaklıkta su buharı ile doymuş durumdaki havanın nemine oranıdır. Genellikle, kısmi basınçlar cinsinden ve yüzde olarak ifade edilmektedir : % HR = H p x100 = x100 HS pS (7) 368 6.4 Suyun Buhar Basıncı Suyun buhar basıncı sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Aşağıdaki bağıntı, suyun buhar basıncını sıcaklığın bir fonksiyonu olarak vermektedir: pS = exp{119176 . − 7173.9 / (T + 389.5)} (8) Burada T, 0F ve p atm cinsindendir. 6.5 Nemli Havanın Hacmi Bir kg kuru hava içeren, hava - su buharı karışımının hacmidir. Nemli havanın hacmi aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir . V = 2.83x10-3T + 4.56x10-3H (9) Burada, T K, V m3/kgkuru hava’ dır. H = mutlak nem oranını göstermektedir. 7. PSİKOMETRİK DİYAGRAMLAR VE KULLANILMALARI Hava kullanılarak gerçekleştirilen kurutma işlemlerinde, hava - su buharı (nem) karışımının bir çok özellikleri psikometrik (nemlilik) diyagramlardan yararlanılarak hesaplanabilmektedir. Psikometrik diyagramlar, hava - su buharı karışımlarıyla ilgili enerji ve kütle dengeleri ve bunlarla ilgili bazı parametrelerin grafik şeklinde sunulmaları ile elde edilen diyagramlardır. Bu grafikler değişik şekillerde hazırlanmaktadır. Ancak bunların asıl iskeletini, mutlak nem - sıcaklık (kuru veya yaş termometre sıcaklığı) eksenleri oluşturmaktadır. Böyle bir diyagram Şekil 3’ de görülmektedir. Bu diyagramlar, genellikle, aşağıda belirtilen parametreleri içermektedir (Çataltaş, 1972; Himmelblau, 1989) : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Kuru ve yaş termometre sıcaklıkları. Mutlak nem. Bağıl nem. Doygunluk nem eğrisi (%100 ralatif nem) Adyabatik soğuma hatları. Hava - nem karışımının özgül hacmi. Hava - nem karışımının toplam enerjisi. Buhar basıncı. 369 9. Çiğlenme noktası. Mutlak ve bağıl (relativ) nem kavramları daha önceki bölümlerde incelenmişti. Bu grafikte kullanılan diğer parametreler aşağıda kısaca açıklanmıştır : 7.1 Kuru Termometre Sıcaklığı Herhangi bir gaz - buhar karışımının termometre ile normal bir şekilde ölçülen sıcaklığıdır. 370 371 372 7.2 Yaş Termometre Sıcaklığı Bir gaz (hava) akımı ile temasta olan bir su kütlesinin yüzeyinde, gazdan suya aktarılan ısının, sudan gaza aktarılan ısıya (gizli buharlaşma yoluyla) eşitlenmesiyle kurulan dinamik denge sırasında ulaşılan sıcaklık yaş termometre sıcaklığı (TY) olarak bilinmektedir. Bir gazın yaş termometre sıcaklığı, civa haznesi ıslak bir fitil (kumaş parçası) ile sarılmış bir termometrenin gaz akımına daldırılması ile ölçülmektedir. Gazın su buharı ile doygun olmaması durumunda, su buharlaşarak ıslak fitilden gaza geçer. Buharlaşma için gerekli ısı fitilden alındığı için, fitil soğumaya başlar. Fitilin soğuması nedeniyle bu defa gaz akımından konveksiyon ve çevreden radyasyon yolu ile fitile ısı aktarımı gerçekleşir. Sonuçta, ters yönlerdeki bu ısı alış verişi bir dengeye ulaşır ve termometrenin sıcaklığı sabit bir değer alır. Bu sıcaklık, yaş termometre sıcaklığıdır. Bu sırada gerçekleşen ısı alış - verişi buharlaşan su miktarı ile ilintilidir. Yaş termometre sıcaklığı, bir gaz akımının nem miktarını belirlemek için kullanılan en eski yöntemlerden biridir ve halen kullanılmaktadır. Yaş termometre sıcaklığında meydana gelen düşme, ΔTY = TK - TY ‘ dır. Bu fark gazın su buharı ile doygunluğunun bir ifadesidir. Eğer gaz başlangıçta su buharıyla doymuşsa , ΔTY = 0 olur. 7.3 Doygunluk Nem Eğrisi Her hangi bir sıcaklıkta havanın su buharı ile doyması olayı doygunluk eğrisi ile gösterilmektedir. Bu koşullarda, hava içindeki su buharının kısmı basıncı aynı sıcaklıktaki suyun buhar basıncına eşittir. Bu koşullarda 1 kg kuru havadaki nem miktarı maksimum değerdedir. 7.4 Şebnem Noktası Havanın nemle doygun hale geldiği koşullardaki sıcaklıktır. Bu nedenle şebnem noktası doygunluk eğrisi üzerine düşmektedir. Havanın sıcaklığı şebnem sıcaklığının altına düştüğünde yoğuşma başlar. 7.4 Hava - Nem Karışımının Toplam Enerjisi (Entalpisi) : Bir kg kuru hava içeren hava - nem karışımının sahip olduğu enerji miktarıdır. Genellikle kJ/kg kuru hava olarak ifade edilmektedir. 7.5 Nemli Havanın Özgül Hacmi 373 Bir kg kuru hava içeren hava - nem karışımının sahip olduğu hacimdir. 7.6 Adyabatik Soğuma Çevre ile enerji alış verişinin ihmal edilebildiği koşullarda gerçekleşen prosesler adyabatik prosesler olarak isimlendirilmektedir. Birçok endüstriyel kurutucu enerji kaybını en aza indirmek amacıyla çok iyi yalıtılmaktadır. Bu tip kurutuculardaki kurutma adyabatik kurutma olarak kabul edilerek enerji hesaplamaları yapılabilir. Bu hesaplar, çevreye kaybolan enerji miktarı göz önüne alınarak sonradan düzeltilebilir. Ancak, iyi yalıtılmamış bir kurutucu için böyle bir varsayım büyük hatalara neden olabilir. Psikometrik diyagramda, adiyabatik soğutma/ısıtma hatları birbirine paralel doğrular şeklindedir ve doygunluk eğrisinde başlamaktadır. Her bir başlangıç nem oranı için bir hat mevcuttur. Bu parametrelerden herhangi ikisinin bilinmesi durumunda, psikometrik diyagramdan yararlanılarak, göz önüne alınan karışımın diğer özellikleri hesaplanabilir. Bunlardan hareket edilerek enerji ve kütle hesaplamalarına geçilebilir. Bu diyagramların oluşturulmasında 0oC ve 1 atm. ‘ deki sıvı su (buhar değil) temel alınmıştır ve diyagram yalnızca atmosferik koşullarda kullanılabilmektedir. Çalışma basıncının atmosferik basınçtan çok farklı olması durumunda, basınca bağlı olarak gerekli düzeltmelerin yapılması gerekmektedir. Örnek 2 : 38 oC’ da bulunan ve relatif nemi %58 olan havayı fırınınızda 86 oC’ a kadar ısıtmak istiyorsunuz. a) Fırına beslenen havanın m3’ ü başına harcanması gereken ısı miktarını hesaplayınız. b) Isıtılmış havanın şebnem noktası sıcaklığı ne olur ? Çözüm 2 : Kuru termometre sıcaklığı TK = 38 oC. Psikometrik diyagramda, A noktası : TK = 38 oC, HR = %58 ⇒ Havanın entalpisi, Δh = 90 KJ/kg kuru hava Mutlak nem oranı değişmediği için, aynı mutlak nem oranı ve TK = 86 oC için B noktası bulunur. A ve B noktalarındaki entalpi değişimleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. 374 Nokta A (Δh)doygun h’ de değişim (Δh)gerçek 90.0 -0.5 89.5 B 143.3 -3.3 140.0 _ A noktasında nemli havanın hacmi, V = 0.91 m3/kg kuru hava. Böylece harcanması gereken ısı : Q = Δh = 140.0 - 89.5 = 50 kJ/kg kuru hava. = 50/0.91 = 55.5 kJ/m3 kuru hava. b) Şebnem noktası : Grafikten, TS = 25 oC. 7.7 Nemli Havanın Isıl Kapasitesi Bir kg kuru hava içeren hava - su buharı karışımının ısıl kapasitesidir ve 1 kg kuru hava temeline göre ifade edilmektedir. Nemli havanın ısıl kapasitesi CpH aşağıdaki bağıntı ile hesaplanmaktadır : CpH = Cpa + CpwxH (10) Burada, Cpw = su buharının ısıl kapasitesidir., H = havanın nem yüzdesidir. 8. KURUTUCULARIN SINIFLANDIRILMASI Kurutma işlemi çok eski çağlardan beri bilinen ve uygulanan bir işlemdir. Günümüzde de endüstride çok yaygın bir şekilde kullanılan temel işlemlerden birisidir. Endüstride değişik özelliklere sahip çok sayıda maddenin kurutulması söz konusu olduğundan, çok sayıda da kurutucu geliştirilmiştir ve piyasaya sürülmüştür. Bu kurutucular kurutulacak maddenin yapısı, boyutu ve şekli, miktarı, besleme ve ısıtma şekli, çalışma şekli (kesikli veya sürekli), kuruma süresi,…. gibi çok sayıda etken göz önüne alınarak geliştirilmiştir. Bu nedenle, kurutucular için kesin bir sınıflandırmak yapmak oldukça güçtür. Ancak kurutucular, bazı kıstaslar temel alınarak çeşitli gruplara ayrılmıştır. En ayrıntılı sınıflandırmalardan biri Kröll(1978) tarafından yapılmıştır. Bu sınıflandırma, katı madde ve operasyon türü temel alınarak yapılmıştır. Keey (1972) tarafından yapılan sınıflandırmada ise kurutucular 39 ana ve 70 alt gruba ayrılmıştır. Porter vça. (1985) nemli katı maddenin ısıtılma şekli, fiziksel özellikleri ile taşınma ve 375 depolanma özelliklerine göre kurutucuları sınıflandırmıştır. Keey (1972) ise maddenin ısıtılma şeklini, çalışma sıcaklığını ve maddenin kurutucu içinde gördüğü işlemleri temel alarak sınıflandırma yapmıştır. En çok kullanılan sınıflandırmalardan birisi kurutucuları konveksiyon ve kondüksiyon tipi olarak ayırmaktır. Konveksiyon kurutucular, Doğrudan temaslı (direkt) kurutucular olarak da bilinmektedir. Bu kurutucularda, kurutma gazı/havası doğrudan kurutulacak madde ile temasa getirilmektedir. Sıcak gazın, kurutulacak madde ile doğrudan temas etmesi nedeniyle kuruma daha hızlı bir şekilde gerçekleşmektedir. Gazın kurutulacak maddeyi kirletmesi söz konusu olmadığı uygulamalarda bu tip kurutucular kullanılmaktadır. Kondüksiyon kurutucular, Dolaylı temaslı (indirek) kurutucular olarak da isimlendirilmektedir. İsminden de anlaşılacağı üzere, bu kurutucularda kurutulacak madde ile kurutma için kullanılan gaz/hava doğrudan değil, bir ısı değiştirici yüzey vasıtasıyla temasa gelmektedir. Bu tip kurutucular, kurutucu gazın kurutulacak maddeyi kirletmesi söz konusu olduğu durumlarda kullanılmaktadır. Bunları yanı sıra, bu iki grubun dışında kalan ve kurutma için herhangi bir gaz kullanmayan kurutucular bulunmaktadır. Bunların en tipik örnekleri, Mikro dalga ve infrared tipi kurutuculardır. Bu kurutucuların çalışması, elektromanyetik ve infrared ışınları vasıtasıyla kurutma prensibine dayanmaktadır. Bu kurutucular tekstil, film ve bazı boya maddelerinin kurutulmasında kullanılmaktadırlar. 376 377 378 379 380 Tablo Kurutulacak maddenin formuna göre kurutucuların sınıflandırılması (Menon ve Mujumdar, 1985) Besleme → Sıvı Çözelti Konveksiy on Kurutucul ar Taşıyıcı Bant Flaş Akışkan Yatak Döner Püskürtmeli Tepsili (kesikli) Tepsili (sürekli) Kondüksiy on kurutucula r Tambur Buhar Çeketli Döner Buhar Tüplü Döner Tepsili (kesikli) Tepsili (sürekli) Hamur Santrifüj Lapa X X X X X X Kek Serbestce akan katı Biçimli Katı Filtre Toz Granül Kristal X X Payet X Elyaf X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X x X X X X X X Kurutucunun çalışma şekli, kapasitesi, kurutulacak maddenin fiziksel formu, ve bazı özgün özellikleri temel alınarak yapılan daha basit ancak daha anlaşılır bir sınıflandırma Çizelge 3’ de verilmiştir (Walas, 1990). Çizelge 4’ de ise kurutulacak nemli maddenin formu temel alınarak seçilecek en uygun kurutucu örnekleri verilmiştir (Menon ve Mujmundar, 1987). Çizelge 3 ve Çizelge 4’ den de görüldüğü gibi, kurutucular çok değişik şekillerde sınıflandırılabilmektedir. Burada, endüstriyel uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılan kurutuculardan bazı örnekler üzerinde durulacaktır. Bu kurutucuları değişik 381 X sınıflara dahil etmek mümkündür. Ancak bunların çoğu, kurutulacak madde ile kurutma havasının doğrudan temas ettiği ve sürekli çalışabilen kurutuculardır. Kurutucularla ilgili ayrıntılı bilgi kaynaklar listesinde verilen kaynaklarda bulunabilir. 8.1 Bant ve Tünel Kurutucular Bu kurutucular, sürekli çalışan doğrudan temaslı kurutuculardır. Temel olarak hareketli bir banttan (konveyörden) oluşmaktadırlar. Bant açık, yarı açık veya tümü ile kapalı bir tünelin içinde olabilir. Şekil 4’ de bant tipi bir kurutucu görülmektedir. Kurutulacak madde, bantın üstüne yayılmakta ve tünel boyunca hareket ettirilerek diğer ucundan kurutulmuş olarak çekilmektedir. Madde bant üzerinde hareketsiz bir tabaka şeklinde durmaktadır. Bant, tel örgü veya delikli plaka şeklinde olabilmektedir. Sıcak gazlar tünelin bir ucundan diğerine doğru hareket ettirilmektedir. Gazlar banta paralel hareket edebildiği gibi, bant delikleri vasıtasıyla çapraz bir şekilde maddenin içinden de geçirilebilmektedir. Gaz - katı temasını daha etkin hale getirmek amacıyla, bazı uygulamalarda tünel şaşırtma perdeleri ile donatılmaktadır. Bu sistemlerin en önemli özelliği, kurutulacak maddenin fazla hırpalanmadan kurutulması ve proses koşullarının kolayca ayarlanabilmesidir. Kuruma süresi uzun olan maddeler söz konusu olduğu durumlarda, üst üste konuşlandırılmış bir dizi bant içeren kurutucular kullanılmaktadır. Bu kurutucularda, malzeme üst banttan bir alttaki banta akarak kurutucu içinde yol alır. Sıcak gazlar ise bantlara paralel ve/veya dik yönde hareket eder Bu kurutucularda, bantların üstündeki tipik malzeme tabakasının kalınlığı 100 mm civarındadır. Ancak bu kalınlık, koşullara bağlı olarak 1 m‘ ye kadar çıkabilmektedir. Bantların kapasitesi ise 600 kg/m2, değerlerine kadar ulaşmaktadır. Bu kurutucular, granüler ve pasta şeklindeki çok sayıda maddenin kurutulması için kullanılmaktadır. Tünel kurutucular, prensip olarak, bantlı kurutuculara benzemektedir, ancak kurutulacak madde bant yerine tekerlekli taşıyıcı hücreler/arabalar vasıtasıyla taşınmaktadır. Arabalar, bir sıra halinde tünel boyunca hareket ederler. Tüneli terk eden her araba yerine, kurutulacak madde ile dolu yeni bir araba tünele girmektedir. Şekil 5‘de tünel tipi bir kurutucu şematik olarak görülmektedir. 382 Şekil 4. Bant tipi kurutucu 383 Şekil 5 Tünel Kurutucu. Kurutma havası değişik şekillerde hareket ettirilerek kurutulacak madde ile temasa getirilmektedir. Bu tip kurutucular daha çok, tuğla, seramik gibi belirli bir şekle sahip malzemeler ve iri tanecikli maddelerin kurutulması için kullanılmaktadır. 8.2 Döner Kurutucular Rotarı kurutucular olarak da bilinen bu kurutucular, temel olarak, silindirik metal bir gövdeden oluşmaktadırlar. Şekil 6’ da döner bir kurutucu şematik olarak görülmektedir. Gövdenin iç yüzeyi üzerinde çeşitli şekil ve boyutlarda kanatçıklar bulunmaktadır. Bir motor tarafında tahrik edilen silindirik gövde, yatayla belli bir açı yaparak kendi ekseni etrafında dönmektedir. Eğim açısı 2 - 5o arasında değişebilmektedir. Bu açı ve kurutucunun dönme hızı ayarlanarak, malzemenin kurutucuda kalma süresi değiştirilebilmektedir. Endüstriyel döner kurutucuların çapları 1.4 - 3.5 m, uzunlukları ise çapın 12 -15 katı civarında olmaktadır. Bu kurutucular, serbestçe akan ve kuruma süresi 1 saat civarında olan maddelerin kurutulması için uygundurlar. Kurutulacak madde, kurutucunun üst ucundan beslenmekte ve dönme hareketi ve eğimden dolayı çıkış ucuna doğru hareket etmektedir. Sıcak gazlar ise paralel veya zıt yönde hareket ederek, doğrudan veya dolaylı olarak nemli madde ile temasa gelmektedir. Maddenin hareketi sırasında 384 kanatçıklar, maddeyi kaldırmakta, karıştırmakta ve sıcak gaz akımının içine savurmaktadır. Böylece katı - gaz teması çok yönlü olarak gerçekleşmektedir. Gaz ve katı teması genellikle ters akım prensibine göre gerçekleşmektedir. Ancak, kurutulan maddenin özelliklerine bağlı olarak paralel besleme de söz konusu olabilmektedir. Örneğin, kuruduğunda tozlaşan ve özgül ağırlıkları düşen maddelerin paralel akımla kurutucuya beslenmesi daha uygundur. Böylece, uçuşan ve uçuşmayan ürün fraksiyonlarının ayni yönde hareket etmeleri sağlanmış olmaktadır. Kurutulacak maddenin nem dolayısıyla topaklanma özelliği göstermesi durumunda, nemli maddenin kurutucuya girmeden önce, geri döndürülen bir miktar kuru madde ile karıştırılması maddenin akışını kolaylaştıracaktır. Enerjiyi daha etkin bir şekilde kullanmak amacıyla, döner kurutucular çift cidarlı olarak da yapılmaktadır. Şekil 7’ de görüldüğü gibi, bu kurutucular temel olarak iç içe geçen iki silindir şeklinde yapılmıştır. Sıcak gazlar önce iç silindire beslenmektedir. Bu silindiri terk eden gazlar, iki silindir arasındaki bölgeye geçerek yoluna devem etmekte ve bir emiş fanı vasıtasıyla sistemden çekilmektedir. İç silindirin dış, dış silindirin ise iç yüzeyinde, kanatçıklar bulunmaktadır. Bu nedenle bu kurutucular çift kanatçıklı kurutucular olarak da bilinmektedir. Nemli malzeme bu iki silindir arasına beslenmekte ve bölgedeki kanatçıklar vasıtasıyla karıştırılarak aşağıya doğru hareket ederken, sıcak gazlarla doğrudan temasa gelmektedir. Bunun yanı sıra, madde iç silindir vasıtasıyla da dolaylı bir şekilde ısıtılmaktadır. Doğrudan temasın ürünü kirletmesi söz konusu olduğu uygulamalarda, bu tip döner kurutucular kullanılabilir. Bu durumda, kurutulacak madde ve kurutma gazları doğrudan temasa getirilmezler. Gazlar iç silindirin içinden akarken, kurutulacak madde iki silindir arasındaki boşlukta geçmektedir. Bu kurutucular çift cidarlı olarak yapılmıştır ve kurutulacak madde ile sıcak gazlar dolaylı bir şekilde temas etmektedir. 385 Şekil 6. Döner Kurutucu (UETM, 1997) 386 Çeşitli döner kurutucu tiplerinin kesitleri. Şekil 7. Çift cidarlı döner kurutucu (UETM, 1997) 387 Döner kurutucularda, ters akım operasyonu çok daha etkin bir kuruma sağlamaktadır. Ancak, kurutulacak madde sıcaklığa karşı duyarlı ise paralel akış uygulanmalıdır. Gaz hızının yüksek olması durumunda, sürüklenme ve tozlaşma meydana gelebilmektedir. Bu nedenle kurutucu gaz hızı, kurutulacak maddenin tanecik boyutuna ve özelliklerine bağlı olarak ayarlanmalıdır. Gaz hızının, genel olarak , 5 mm’ den küçük tanecikler için 3 m/s’ den küçük, 1 mm’ den küçük tanecikler için ise 0.3-1 m/s’ civarında olması önerilmektedir. En uygun gaz hızı yapılacak ön araştırmalarla belirlenmelidir. Çift cidarlı döner kurutucuların ısısal verimi, tek geçişli döner kurutuculara göre daha yüksektir. Kurutma hızı, gazın hızına ve nem içeriğine, kurutulacak maddenin tanecik boyutuna ve miktarına ve silindirin dönme hızına bağlı olarak değişmektedir. Gazın giriş sıcaklığının 540 - 820oC olması durumunda silindirde m3 başına buharlaştırılan su miktarı saatte 70 kg civarına ulaşabilmektedir. 8.3 Raflı Düşey Kurutucular Raflı düşey kurutucular, silindirik düşey bir gövde içinde üst üste dizilmiş raflardan (tepsilerden) oluşmaktadırlar. Sürekli çalışabilmektedirler. Bu kurutucuların, sabit raflı ve döner raflı olmak üzere, başlıca iki tür tasarımı bulunmaktadır. Kurutulacak madde en üst rafa beslenmektedir. Rafların hareketsiz olduğu kurutucularda, rafların üzerindeki kütle bir taraftan itilerek hareket ettirilirken bir taraftan da hareketli bir tırmık sistemi vasıtasıyla karıştırılmaktadır. Böylece, kuruma hızlandırılmaktadır. Kuruyan madde, rafı boydan boya geçtikten sonra, rafın üzerinde bulunan bir yarıktan bir alt rafa dökülmektedir. Bu şekilde madde raftan rafa geçerek kurumakta ve silindirin alt tarafından dışarı çekilmektedir. Kurutucunun çeperleri ısıtma serpantinleri ile donatılmış bulunmaktadır. Kurutma havası kurutucunun alt tarafında kurutucuya girmekte ve yükseldikçe sıcaklığı artmaktadır. Böylece en üst rafa giren nemli madde en sıcak ve nem içeriği en yüksek hava ile karşılaşmış olmaktadır. Rafların hareketli olduğu kurutucularda ise, Şekil 8, üst rafa beslenen madde, bir perde vasıtasıyla belli bir kalınlıkta rafın üstüne serilmektedir. Rafın hareket sırasında, madde hareketsiz bir tırmık sistemi vasıtasıyla karıştırılmaktadır. Raf, bir tam devir yaptıktan sonra madde, sabit sıyırıcı bir perde vasıtasıyla, rafın üstündeki bir yarıktan bir alt rafa dökülmektedir. Bu kurutucularda, kıvamlı çamurdan, granüler yapıdaki toz maddelere kadar değişen çok çeşitli maddeler kurutulabilmektedir. Ancak yapışma özelliği gösteren maddeler ile lifli maddelerin kurutulması için uygun değildirler. Bu kurutucularda sızdırmazlık kolaylıkla sağlandığı için, değerli çözücülerin geri kazanılması imkanı bulunmaktadır. 388 8.4 Akışkan Yataklı Kurutucular Akışkan yatkalı kurutucular, kurutulacak maddenin sıcak bir gaz akımı içinde asılı tutularak kurutulması prensibine dayanmaktadır. Kurutucu, delikli bir tabanı olan bir gövdeden oluşmaktadır. Kurutulacak madde kurutucuya beslenmekte ve alttan beslenen sıcak gaz/hava tarafından akışkanlaştırılmaktadır. Döner bir rafın şematik şekli. Şekil 8. Raflı düşey kurutucu (Walas, 1990) 389 Akışkan yatak operasyonlarında gazın hızı taneciklerin minimum ve taşınma hızları arasındaki bir değerde tutulmaktadır. Minimum akışkanlaşma hızı, taneciğin gaz akımı içinde asılı durmaya başladığı andaki gaz hızıdır. Taşınma hızı ise taneciklerin sistemden sürüklenmeye başladıkları hızdır. Minimum akışkanlaşma hızının üstünde, katı - gaz karışımı adeta bir sıvı gibi davranmaktadır. Bu sistemlerde, birim hacim başına çok büyük bir yüzey alanı sağlanabilmekte ve çok etkin bir katı - gaz karışması gerçekleşmektedir. Bu nedenle hem kütle ve ısı aktarım süreçleri çok etkin ve hızlıdır hem de tekdüze bir sıcaklık dağılımı elde edilebilmektedir. Akışkan yataklı kurutucuların çok değişik tasarımları mevcuttur. Tipik bir akışkan yataklı kurutucu Şekil 9’ da şematik olarak görülmektedir. Bu kurutucular temel olarak, akışkan yatak, besleme sistemi, hava besleme ve çekiş fanları, ısı değiştirici yüzeyler siklonlardan oluşmaktadır. Nemli madde bir besleyici vasıtasıyla akışkanlaşma odasına beslenmekte ve burada yukarıya doğru hareket eden sıcak gazlarla temasa gelerek hızlı bir şekilde kurumaktadır. Kuruyan madde, siklonlarda toplanarak oradan dışarı alınmaktadır. Siklonlara taşınan madde miktarı, kurutulacak maddenin tanecik boyutu ve dağılımı ile gazın hızına bağlıdır. Kurutma için gerekli hava, bir fan ve ona bağlı bir ısı değiştirici vasıtasıyla sağlanmaktadır. Bu kurutucular, serbestçe akan tanecik halindeki maddelerin kurutulması için uygundurlar. Kuruma süresi görece kısadır. Kuruma süresinin uzun olması durumunda, çok kademeli, geri dönümlü veya kesikli akışkan yataklar kullanılabilir. Akışkan yataklı kurutucuların avantajları (Havmand, 1987) : • Sürekli çalışabilmektedir, otomatik kontrolü kolaydır. • Kapasitesi yüksektir. • Katı - gaz karışması çok etkindir, ısı ve kütle aktarımı çok hızlıdır, sıcaklık tekdüzedir. • Hareketli parçası yoktur, tamir ve bakımı kolaydır. Kurutmanın etkin bir şekilde yürütülmesi için kurutulacak maddenin aşağıdaki özelliklere sahip olması gerekmektedir (Havmand, 1987) : • Tanecik boyutu 20μm - 10 mm civarında olmalı. • Tanecik boyutu dağılımı dar olmalı. • Tanecikler düzgün şekilli olmalı. Ortalama tanecik boyutu büyük olan veya lifli bir yapıya sahip maddelerin akışkanlaşması oldukça güçtür. • Tanecikler mekanik olarak yeterince sağlam olmalıdır. Aksi taktirde, şiddetli karışmadan dolayı ufalanma meydana gelebilir. 390 • Kuruma sıcaklığında tanecikler yapışma özelliği göstermemelidir. Yapışma özelliğine sahip maddeler topraklaşmaya uğrayabilmekte ve akışkanlaşma bozulabilmektedir. 8.5 Sprey Kurutucular Sprey veya püskürtmeli kurutucular, çözeltiler, pompalanabilen pastalar ve katı - sıvı karışımlarını kurutmak için kullanılmakta ve endüstride çok sayıda uygulaması bulunmaktadır. Şekil 9. Akışkan yataklı kurutucu (McKetta, 1983) 391 Şekil 10. Sprey kurutucu (McKetta, 1983) Bu sistemlerde, kurutma 3 aşamadan geçerek gerçekleşmektedir : 1. Atomizasyon (damlacıklara dönüştürme), 2. Damlacıkların sıcak gaz ile temasa gelerek kuruması, 3. Kuru ürünün gazdan ayrılması. Genellikle tabanı konik olan bir silindir şeklinde yapılan kurutucuya pompalanan madde, dönen bir disk veya sabit nozullar (memecikler) vasıtasıyla atomize edilerek küçük damlacıklar haline getirilmekte ve sıcak bir gaz akımı içine püskürtülmektedir. Diskle yapılan atomizasyonda, damlacıklar belirli bir açıyla kurutucunun içine püskürtülmektedir. İkinci yöntemde ise tanecikler düşey olarak hareket etmektedir. Atomizasyon sonucunda geniş bir yüzey alanı oluşmakta ve kurutucuda hızlı bir buharlaşma gerçekleşmektedir. Şekil 10’ de farklı atomizasyon yöntemlerine göre çalışan tipik iki spray kurutucu görülmektedir (Filkova ve Mujumdar, 1987). Damlacıklar ve sıcak gazlar değişik şekillerde kurutucuya beslenebilmektedir. Tepeden beslenen ve kurudukça yoğunluğu artan ürün, kurutucunun tabanında gazla birlikte alınarak siklonlara beslenmekte ve burada gazdan ayrılmaktadır. Kuruma süresince, buharlaşmadan dolayı, damlacıkların sıcaklığı düşük seviyelerde kalmakta ve gazın sıcaklığı hızla düşmektedir. Bu nedenle madde, gazın sıcaklığından fazla etkilenmeden kuruyabilmektedir. Kuruma süresi, bir 392 çok kurutucuya kıyasla, oldukça kısadır. Bu özelliğinden dolayı bu tip kurutucular, özellikle sıcaklığa karşı hassas olan gıda maddeleri gibi maddelerin kurutulması için uygun sistemlerdir. Bu kurutucuların performansını etkileyen en önemli parametrelerden birisi atomizasyon işlemidir. Atomizasyonun yöntemi, damlacıkların boyutunu, boyut dağılımını ve enerji tüketimini etkileyebilmektedir. Etkin bir kurutma işlemi için, damlacıkların küçük ve eşit büyüklüklerde olması gerekmektedir. Bu nedenle bu kurutucuların tasarımında ve/veya seçiminde bu noktaya dikkat etmek gerekmektedir. Sprey kurutucular, 5400 - 6900 kg/h’ e ulaşan evaporasyon kapasitelerine ulaşabilmektedir. Kurutulacak madde ile gazın paralel olarak hareket ettiği sprey kurutucularda, sistemde rutubetin yoğuşmasını önlemek için, gazın buharla tam doymadan ve yüksek sıcaklıklarda terk etmesine göz yumulmaktadır. Bu nedenle bu sistemlerin ısısal etkinlikleri görece düşüktür. Örneğin, kurutmada kullanılan havanın buharla ısıtılması durumunda ısısal etkinlik %40 civarında kalmaktadır. Buna karşın, kurutma havasının girişteki sıcaklığı 500 - 550 oC ve çıkıştaki sıcaklığı 65 - 70 oC olduğu koşullarda ısısal etkinlik %80 - 85 civarına kadar çıkabilmektedir. Bu kurutucularda, süt, yumurta, sebze gibi gıda ürünleri, farmosetik maddeler, kan plazması, çok sayıda anorganik ve organik kimyasallar, lastik, lateks, seramik tozları, deterjanlar gibi, çok geniş bir yelpazede yer alan maddeler kurutulabilmektedir. 8.6 Hava - Sürüklemeli Kurutucular Hava - sürüklemeli kurutucular, pnömatik veya flaş kurutucular olarak da bilinmekte ve serbestçe akan toz veya granül maddelerin kurutulması için kullanılmaktadır. Bu kurutucular, katı taneciklerin sıcak bir gaz/hava akımı içinde sürüklenerek kurutulması prensibine dayanmaktadır. Temel olarak, dikey veya eğimli silindir bir gövde, bir besleme sistemi, bir hava ısıtıcısı, toz tutma birimi (siklon,.. vs.) ve bir çekiş fanından oluşmaktadır. Şekil 11’ de hava - sürüklemeli bir kurutucunun şematik şekli görülmektedir. 393 Şekil 11. Hava süpürmeli (pnömatik) kurutucu (McKetta, 1983) Kurutulacak madde, bir besleyici vasıtasıyla kurutucuya alttan beslenmekte ve sıcak bir hava akımı içinde sürüklenerek istenen sıcaklığa kadar kurutulmaktadır. Kurutulan ürün siklonlara gönderilerek havadan ayrılmaktadır. Bu kurutucularda, tek geçişte kalma süresi yaklaşık 5 s civarındadır. Bu süre kurutma için yeterli değilse, siklonlardan toplanan ürün tekrar tekrar kurutucuya beslenerek, kurutma süresi uzatılabilir ve istenen kurutma derecesine ulaşılabilir. Tekdüze bir kurumanın elde edilebilmesi için, tanecik boyut aralığının mümkün olduğu dar olması gerekmektedir. Boyut aralığının çok geniş olması durumunda, kurutucudan çekilen ürünün tekrar geri beslemesi, seri halde çalışan birden fazla kurutucunun kullanılması veya tanecikleri önceden fraksiyonlarına ayırarak kurutucuya besleyen bir sistemin kullanılması yollarından birisine baş vurulabilir (Walas, 1990). 394 Bu kurutucularda tipik tanecik boyutu 1- 3 mm, hava hızı 10 - 30 m/s ve kurutma süresi 5 - 60 s civarındadır. Prensip olarak hava hızının taneciğin serbest düşme hızından 2.5 - 3.0 m/s daha büyük olması gerekmektedir. Kurutma sırasında yapışma ve topaklanma görülebilir. Bu gibi durumlarda, çalışma hızının deneysel olarak saptanması daha uygun olacaktır. Hava - sürüklemeli kurutucular, sıcaklığa karşı duyarlı ve kuruma süresi uzun olmayan maddelerin kurutulması için uygundur. Buna karşın, çamur/pasta formunda olan ve yapışma özelliği gösteren maddeler için uygun değildir. Şiddetli karışma ve sürüklenmeden dolayı kırılma ve ufalanma söz konusu olduğundan, bu kurutucular kırılgan maddeleri kurutmak için uygun değildirler. İyi bir operasyon için kurutulacak taneciklerin şu özelliklere sahip olması gerekmektedir (Kısakürek, 1995) : 1. ince ve homojen olmalıdır, 2. ıslakken serbestçe akabilmelidir, 3. sıcak hava içinde kolayca dağılmalı ve taşınabilmelidir. 8.7 Dondurucu Kurutucular Dondurucu kurutucular, sıcaklığa çok duyarlı olan bazı biyolojik , farmosetik ve gıda maddelerinin kurutulması için kullanılmaktadır. Bu kurutucularda, kurutma sıfırın altındaki sıcaklıklarda gerçekleştirilmektedir. Kurutma, başlıca 3 aşamadan geçerek gerçekleşmektedir : 1. Dondurma, 2. Vakum altında ve süblimasyon vasıtasıyla nemin uzaklaştırılması, 3. Kurutulmuş maddenin kontrollü koşularda paketlenmesi (Liapis, 1987) Kesikli olarak çalışan bir dondurucu, Şekil 12’ de şematik olarak gösterilmiştir. Dondurulacak madde, sıcaklığı ayarlanabilen ve yüksek vakum altında bulunan bir odanın içine yerleştirilir. Odanın sıcaklığı kontrollü olarak artırılır. Bu koşullarda maddenin içinde bulunan buz kristalleri, yüksek vakum altında ergimeden doğrudan buhar faza geçer ve uzaklaşırlar. Buharlar bir yoğuşturucuda yoğuşturularak uzaklaştırılır. Kuruyan madde ise, kontrollü koşullarda nem geçirmeyen kutulara doldurularak saklanır. Kesikli ve sürekli çalışabilen çok değişik dondurucu kurutucu tipi bulunmaktadır. Bunlardan bazıları şunlardır : raflı dondurucu kurutucular, tünel dondurucu kurutucular, vakumlu - sprey dondurucu kurutucular. 395 Şekil 12. Dondurucu Kurutucu (UETM, 1997) Çizelge 5’ de kurutma uygulamalarında çeşitli kurutucularda kurutulabilen maddelerden bazı örnekler verilmiştir. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan kurutucuların ısısal etkinlikleri geniş bir aralıkta değişmektedir. Kurutucu seçimini veya tasarımını yaparken, ısısal etkinlik göz önüne alınması gereken en önemli parametrelerden birisidir. Çizelge 6’ da çeşitli kurutucuların ısısal etkinlikleri ve bunların birim alan veya birim hacim başına ulaştıkları buharlaşma hızları verilmiştir. Çizelgeden de görüldüğü gibi kurutucuların ısısal etkinlikleri % 20 - 95 aralığında değişmektedir. 396 9. KURUTUCU SEÇİMİNİN KISTASLARI Endüstriyel kurutma işlemleri için kurutucu seçerken, çok sayıda etkenin göz önüne alınması gerekmektedir. Seçilecek kurutucunun, hem teknik hem de ekonomik açıdan istenen kıstasları sağlaması gerekmektedir. Kurutucu tipi seçilirken, ilk düşünülmesi gereken konulardan birisi, kurutulacak maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleridir. Maddenin fiziksel şekli ilk aşamada bir çok seçeneği devre dışı bırakabilir. Kurutulacak maddenin gaz olması durumunda, ancak adsorpsiyon veya absorsiyon kolonları şeklindeki kurutucular kullanılabilmektedir. Bir sıvının kurutulması söz konusu ise, yine çok sınırlı sayıda kurutucu kullanılabilmektedir. Püskürtmeli veya film tipi kurutucular bu iş için en kuvvetli seçenekleri oluşturmaktadır (William - Gardner, 1971). Kurutulacak maddenin bir katı olması durumunda, çok sayıda seçenek söz konusu olmaktadır. Bu durumunda, bir ön seçim için dikkate alınması gereken faktörler Çizelge 7’de özetlenmiştir (Kalafatoğlu vça., 1993; McKetta, 1983). Seçenekleri azaltmak açısında kurutucu seçimi 2 aşamada yapılabilir. Birinci aşamada, kurutulacak maddenin fiziksel şekli, kurutulacak maddenin miktarı ve operasyon şekli göz önüne alınarak seçeneklerin sayısı daraltılır. İkinci aşamada ise Çizelge 7’ de sayılan kıstaslar göz önüne alınarak seçim kesinleştirilir. Bu aşamada, kurutulacak maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kuruma özellikleri, istenen son ürünün özellikleri ve nem içeriği, kurutucunun çalışması sırasında karşılaşılabilecek, toz ve çözücü kayıpları gibi sorunlar göz önüne alınır. Bunun yanı sıra, kurutucu satın alacak olan kurumun, fiziksel alt yapısı, kullanılacak yakıt türü, kurutucunun neden olacağı çevre sorunları (gürültü, toz yayınımı, zehirlilik. gibi) dikkate alınmalıdır. Seçilecek kurutucunun, ekonomik kıstaslar göz önüne alınarak da değerlendirilmesi gerekmektedir. Kurutucunun ilk yatırımı maliyeti, işletme ve bakım ve onarım giderleri göz önüne alınarak bir optimizasyon yapılabilir. İyi bir kontrol sistemi ile donatılmış olan bir kurutucunun ilk yatırım maliyeti yüksek, buna karşılık işçilik giderleri daha düşük olmaktadır. 397 Çizelge 5. Çeşitli kurutucularda kurutulabilecek maddelerden bazı örnekler (Walas, 1990). Kurutucu Tipi Sprey Kurutucu Tank (Drum ) Kurutucu Vakum Tank (Drum) Kurutucular Vakumlu Döner Kurutucular Bant Kurutucular Döner Çok Raflı Kurutucular Akışkan Yataklı Kurutucular Hava - Kurutulan Maddeler Lastik kimyasalları, sülfonatlar, anorganik fosfatlar, seramikler, killer, kahve, deterjan, farmosetik ürünleri, pigmentler, mürekkep, anorganik sülfonatlar, lignosülfat esaslı ağaç artıkları, melamin ve üre aldehit, reçineler, polivinil klorürü, süt, yumurta, nişaşta maya, silikajel, üre, tuzlar Patates, kahvaltılık tahıl ve meyve karışımları, tereyağı, kaymağı alınmış süt, dekstrin, maya, poliaktriloamid, sodyum benzoat, aseatalar, fosfatlar, şelatlar, alüminyum oksit, m - disülfürik asit, bariyum sülfat, kalsiyum asetat, karbonatl - fosfatlar, kostik soda, ferrosülfat, yapıştırıcılar, kurşun asetat, sodyum benzensulfonat, sodyum klorür. Şuruplar, kaymağı alınmış süt, maltlanmış süt, kahve, malt ekstratları ve yapıştırıcı. Plastikler, organik polimerler, naylon çipler, her türlü kimyasallar, plastik lifli maddeler, organik kıvamlaştırıcılar, selüloz asetat, nişasta ve sülfür pulcukları. Maya, kömür briketleri, yapay lastik, katalizörler, sabun, yapıştırıcılar, silika jel, titaniyum dioksit, üre formaladehit, killer, beyaz kurşun, krom sarısı ve metalik stearatlar. Puvlarize kömür, pektin, penisilin, çinko sülfat, atık çamur, pirofosforik çinko tozları, çinko oksit peletleri, kalsiyum karbonat, borik asit, kırılgan kahvaltılık tahıl ve meyve karışımları, kalsiyum klorit pulcukları, kafein, anorganik floridler, 40oC civarında ergiyebilen kristaller, elektronik saflıkta fosforlar ve solvent - ıslak organik kattı maddeler. Laktoz esaslı tanecik malzemeler, farmosetik kristaller, kömür, kum, kireçtaşı, demir cevheri, polivinil klorür, asfalt, tanecik halindeki nem çekiciler (desiccant), aşındırıcı maddeler ve tuzlar. Maya filtre kekleri, nişaşta, kanalizasyon çamuru, jips, meyve bulpları, bakır 398 Süpürmeli (Pnömatik) Kurutucular Dondurucu Kurutucular Dielektrik Kurutucular Infrared Kurutucular sülfat, kil, krom sarısı, yapay kazein ve potasyum sülfat. Et, deniz ürünleri, sebzeler, meyveler, kahve, derişik maya ürünleri (beverages), farmosetikler, veteriner ilaçları ve kan plazması. Pişmiş maddeler, kahvaltılık tahıl ve meyve karışımları, mobilya kerestesi, kaplamalar (veneers), kontraplak, yapay tahta, su - esaslı köpük plastik plakalar ve bazı tekstil ürünleri. Tekstil, kağıt ve film, boya ve mine yüzey parlatıcıları, gözenekli olmayan bulk maddeler. Çizelge 6. Çeşitli kurutucuların kurutma etkinlikleri ve buharlaşma hızları* (Walas, 1990; Strumilla vça., 1995) Kurutucu Tipi Doğrudan - Sürekli Akışkan yatak Bant Döner Hava sürüklemeli Sprey Tünel Buharlaşma Hızı kg su/hm2 kg su/hm3 800 - 2500 30 - 80 4 - 100 2 - 50 Kuruma Etkinliği (%) 20 -80 40 - 60 40 - 70 50 - 75 20 - 50 35 - 40 95 Doğrudan Kesikli Raflı Dolaylı - Sürekli Tank(Drum) Döner 85 75 - 90 Dolaylı - Kesikli Karıştırmalı tava Vakumlu döner 90 <70 399 Vakumlu raf İnfrared 30 - 60 Dielektrik 60 *Kurutma Etkinliği = (Buharlaşma için harcanan enerji/ Kurutucuya verilen toplam enerji)x100 10. NEMİN ÖLÇÜLMESİ 10.1 Katı Maddelerin Nem Miktarının Ölçülmesi Katı maddelerin nem miktarının ölçülmesi prensip ve işlem olarak basittir. Ancak durum her zaman böyle olmayabilir. Çünkü, ısınma sırasında, suyun buharlaşmasının yanı sıra, malzemenin bünyesinde bazı oksidasyon ve bozunma reaksiyonları da meydana gelebilir. Bu tip reaksiyonlar, genellikle, bir ağırlık değişmesine neden olduğu için, nemin miktarında da bir hataya neden olabilmektedirler. Örneğin, kaolinin 800 oC’ da kurutulması sırasında kristal suyunun uzaklaştırılmasının yanı sıra, bazı karbonatların bozulması nedeniyle bir kızdırma kaybı da meydana gelmektedir. Bu nedenle, nemi ölçülen maddenin özelliklerinin bilinmesi ve buna göre önlem alınması gerekmektedir. Katı maddelerin nem içeriklerinin belirlenmesi için kullanılan çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Bunları kabaca iki grup altında toplamak mümkündür : 1. Doğrudan Yöntemler. 2. Dolaylı Yöntemler. 400 Çizelge 7. Kurutucunun ön seçiminde göz önüne alınması gereken önemli etkenler (Kalafatoğlu vça., 1993) Gözönüne Alınan Etkenler Özellik 1. Kurutulacak Maddenin Özellikleri 2. Kurutulacak Özellikleri Maddenin a) b) c) d) e) f) Kuruma a) b) c) d) e) 3. Maddenin Kurutucuya Beslenme ve Kurutucuda Akma Şekli 4. Ürün Kalitesi 5. Geri Kazanma/Kayıp Sorunu a) b) c) d) a) b) c) d) e) f) g) h) a) b) 401 Islak maddenin fiziksel özellikleri Kurutulmuş maddenin fiziksel özellikleri Korozif özellikleri Yanabilirliği Tanecik boyutu Aşındırma özelliği Nemin türü (serbest, bağlı, veya herikisi) Başlangıçtaki nem miktarı Son nem miktarı En yüksek kuruma sıcaklığı Farklı kurutucularda olası kuruma süreleri Bir saatte işlenecek miktar Operasyonun sürekli/kesikli olması Kurutma öncesi işlem(ler) Kurutmadan sonraki işlem(ler) Büzüşme Kirlenme Kurutmadan sonra kalan nemin dağılımı Ürünün bozulması Aşırı kuruma Ufalanma durumu Ürün sıcaklığı Dökme yoğunluğu Tozu geri kazanma/kaybetme Çözücüyü geri kazanma/kaybetme 6. Mevcut Altyapı Olanakları 7. Kurutucunun Maliyeti Yer Havanın sıcaklığı, nemi, ve temizliği Kullanılabilir yakıtlar Kullanılabilir elektrik Ses, sarsıntı ve toz sınırlamaları ve ısı kayıpları f) Nemli maddenin kaynağı g) Atık gaz çıkışı a) Sabit sermaye yatırımı b) İşletme giderleri a) b) c) d) e) 10.1.1 Doğrudan Yöntemler Bu yöntemin esası, kurutulacak maddenin sabit bir sıcaklıkta tutularak ağırlık kaybını izlemektir. Sudan kaynaklanan nem söz konusu olduğu zaman, madde genellikle, bir etüvde 105 oC sıcaklıkta sabit tartıya gelinceye kadar bekletilir. Bunun için madde, değişik aralıklarla etüvden çıkarılarak bir desikatörde soğutulur ve tartılır. İki tartım arasındaki fark ±0.05% olunca ısıtma işlemine son verilir. Maddenin başlangıçtaki ağırlığı W1, kurutmadan sonraki denge ağırlığı WD ve kurutmadan sonraki mutlak kuru ağırlığı W2 ise maddenin nem oranı aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır : 1. Kuru Temelde : Mutlak nem yüzdesi, HA = 100(W1 - WD)/WD (11) 2. Yaş Temelde : Mutlak nem yüzdesi, H*A = 100(W1 - WD)/W1 (12) Denge neminin çok küçük olması halinde yukarıdaki denklemlerde WD = W2 olarak alınarak, hesaplamalar yapılır. Pratikte, hesaplamalar, genellikle, bu şekilde yapılmaktadır. 10.1.2 Dolaylı Yöntemler Nemin su olması durumunda, nem çeşitli dolaylı yöntemlerle de belirlenebilir. Bu yöntemlerin başlıcalar şunlardır : 402 1. Kimyasal Yöntemler : Karl - Fischer Yöntemi. Azeotropik Distilasyon Nemi Buharlaştırma Yöntemi 2. Fiziksel Yöntemler : Elektriksel Direnç Ölçme Yöntemi Elektrostatik Kapasitans (Dielektrik katsayıyı Ölçme) Yöntemi Bu yöntemlerle ilgili ayrıntılı bilgi Keey (1972) tarafından verilmiştir. 10.2 Gazlarda Neminin Ölçülmesi Gazların nem içeriğini saptamak için kullanılan başlıca yöntemler şunlardır (Keey, 1972): 1. Mutlak Nem Ölçme (Higroskopik) Yöntemleri : Gravimetrik ve barometrik yöntemler. 2. Yaş ve Kuru Termometre Sıcaklığını Ölçme (Higrotermal) Yöntemi 3. Fiziksel Özellikleri Ölçme Yöntemleri : Absorpsivite ve Elektromagnetik dalga ölçme. Endüstriyel uygulamalarda en çok kullanılan yöntem higrotermal, yani, yaş ve kuru termometre ile şebnem noktası sıcaklığını ölçme yöntemidir. Ancak mutlak nem içeriğinin çok hassas olarak belirlenmesi gerektiği zaman, sıcaklıkların da çok hassas ölçülmesi gerekmektedir. Aksi taktirde önemli hatalar meydana gelebilir. Örneğin, 50oC’da ve %50 neme sahip bir gazın sıcaklığındaki 1oC’lık bir oynama mutlak nemde % 9’luk bir değişime neden olabilmektedir. Benzer bir durum şebnem noktasının sıcaklığı ile nem arasında da söz konusudur. Bu sıcaklıkta 1oC’lık bir değişme mutlak nemin %7 oranında değişmesine karşılık gelmektedir. Bu nedenle çok hassas ölçümler için mutlak nem ölçme yöntemlerinden biri kullanılmalıdır. Burada mutlak nem ölçme ve yaş termometre sıcaklığı ölçme yöntemleri kısaca açıklanacaktır. 10.2.1 Mutlak Nem Ölçme Yöntem 403 Bu yöntem temel olarak, gazın nem tutan bir absorbant üzerinden geçirilerek, neminin tutulması esasına dayanmaktadır. Bunun için, nemli gaz silikajel ve fosfor penta oksit gibi bir sorbentle dolu bir kolondan geçirilerek kurutulmaktadır. Sorbentin ağırlığındaki artış o gaz kütlesinin taşıdığı toplam nem, yani mutlak nem miktarını göstermektedir. Bunun dışında çeşitli higroskopik yöntemler bulunmaktadır. Bunlar, Keey (1972) tarafından ayrıntılarıyla incelenmiştir. 10.2.2 Yaş Termometre Yöntemi Yaş termometre ile nem ölçümü yaş ve kuru termometre sıcaklıklarının ölçümüne dayanmaktadır. Bu sıcaklıkların ölçümü ve anlamları daha önceki bölümlerde açıklanmıştır. Bu yöntemde doğru sonuçlar elde edebilmek için şu noktalara dikkat etmek gerekmektedir : 1. Termometreyi çevreleyen ıslak tabakaya yalnızca konveksiyon yolu ile ısı aktarılmalıdır. Radyasyon yolu ile ısı aktarımını önlemek için önlem alınmalıdır. 2. Bu tabakanın ıslak kalması için sürekli bir su kaynağı ile ıslak tutulmalıdır. 3. Hava akımının hızı en 3 m/s olmalıdır. 10.2.3 Şebnem Noktasının Bulunması Yöntemi Gazların nem oranlarını belirlemek için kullanılan diğer bir yöntem, şebnem noktası sıcaklığını ölçme yöntemidir. Bunun için kullanılan en basit alet, cilalanmış paslanmaz çelikten yapılmış bir ayna vasıtasıyla birbirinden ayrılmış iki odadan meydana gelen düzenektir. Bu odalardan birine nemi ölçülecek olan gaz numunesi alınmaktadır. Diğeri ise soğuma odasıdır. Soğuma odasına eter veya benzeri gibi, uçuculuğu yüksek bir madde konur ve bir hava akımı yardımı ile buharlaştırılır. Buharlaşma ile, aynanın sıcaklığı gazın şebnem noktası sıcaklığına kadar soğutulur. Şebnem noktasında ayna bir su buharı buğu tabakasıyla ile kaplanır. Bu sıcaklık 1 - 2 o C’lık bir hassasiyetle ayarlanabilir. Aynanın buğu ile kaplanması, çıplak gözle veya bir fotosel yardımı ile belirlenir. Böyle bir aletle - 20 oC’ a kadar olan şebnem noktası sıcaklıkları ölçülebilir. Burada, ayna ile gaz kütlesi arasındaki sıcaklık gradieni hataya neden olabilir. Bu basit aletin dışında, şebnem noktası sıcaklığını ölçen çok daha gelişmiş aletler mevcuttur. Bunlar yardımı ile çok daha yüksek sıcaklıklarda şebnem noktası sıcaklıkları ölçülebilir. 404 SİMGELER A CP CPA CPW H HA H*A HR HS h k kH kP p PS P R T V W : Yüzey alanı. : Isıl kapasite. : Havanın ısıl kapasitesi. : Su buharının ısıl kapasitesi. : Mutlak nem (Rutubet) : Katı maddelerin kuru temelde mutlak nem yüzdesi. : Katı maddelerin nemli temelde mutlak nem yüzdesi : Bağıl nem. : Doygunluk koşullarında mutlak nem (maksimum mutlak nem). : Isı aktarım katsayısı. : kütle iletim katsayısı : Nem farkı temel alınarak hesaplanan kütle iletim katsayısı. : Kısmı basınçlar temel alınarak hesaplanan kütle iletim katsayısı. : Suy buharının herhangi bir T sıcaklığındaki kısmı basıncı. : Suyun T sıcaklığındaki buhar basıncı. : Toplam (mutlak) basınç. : Kuruma hızı : Sıcaklık. : Hacim. : Suyun (buharın) miktarı. KAYNAKLAR Çataltaş, A. I., Sınai Stokiyometri, Inkilap ve Aka Kitapevi, İstanbul, 1973. Filkova, I., Mujumdar, A. S., Industrial Spray Drying Systems, Handbook of Industrial Drying, Vol. 1, A. S. Mujumdar Ed.), Marcel Dekker, New York, 1987. Havmand, S., Fluidized Bed Drying, Handbook of Industrial Drying, Vol. 1, A. S. Mujumdar (Ed), Marcel Dekker, New York, 1987. Himmelblau, D. M., Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering, 4th. Ed., Prentice - Hall, New York, 1989. Kalafatoğlu, E., Örs, N., Tolun, R., Ekinci, E., Boraks Pentahidrat Kurutma ve Toz Tutma Birimlerinin İyileştirilmes Ön Çalışması, TBÜTAK, MAM, Teknik Rapor NO : T4 - 01, Gebze, 1993. 405 Keey, R. B., Drying Principles and Practice, Pergamon Press, New York, 19972. Kısakürek, B., Flash Drying, Handbook of Industrial Drying, Vol. 1, A. S. Mujumdar (Ed.), Marcel Dekker, New York, 1987. Kröll, K.., Trockner und Trocknungsverfahren, Springer - Verlag, Berlin, 1978. Liapis, A., Freeze Drying Systems, Handbook of Industrial Drying, Vol. 1, A. S. Mujumdar (Ed.), Marcel Dekker, New York, 1987. McKetta, J. J., Encyclopedia of Chemical Process and Design, Vol. 17., Marcel Dekker, New York, 1983. Menon, A. S., Mujumdar, A. S., Drying of Solids : Principles, Classification, and Selection of Dryers, A. S. Mujumdar (Ed.), Handbook of Industrial Drying, Marcel Dekker, 1987. Mujumdar, A. S. (Ed.), Handbook of Industrial Drying, Volume 1, Marcel Dekker, New York, 1987. Mujumdar, A. S. (Ed.), Handbook of İndustrial Drying, Volume 2, Marcel Dekker, New York, 1987. Porter, H. F., Schurr, A. G., Wells, D. F., Semrau, K. T., Solid Drying and Gas - Solid Systems, R. H. Perry, N. Don Green (Ed.)., Perry’s Chemical Engineers Handbook, 6th Ed., McGraww - Hill, 19985. Sanayide Enerji Yönetimi Esasları, Elektrik İşleri Etüd İdaresi, Ankara, 1997. Strumilla, C., Jones, P., Zylla, R., Energy Aspects in Drying, Handbook of Industrial Drying, Vol. 2, A. S. Mujumdar (Ed.), Marcel Dekker, New York, 1995. Walas, S. W., Chemical Process Equipment Selection and Design, Butterworth Heinemann, Boston, 1990. Williams - Gardner, A., Industrial Drying, Leonard Hill, London, 1971. 406 11. ELEKTRİK MOTORLARINDA ENERJİ TASARRUFU 1.GİRİŞ Enerji sektörü, günümüzde gelişen teknoloji doğrultusunda giderek önem kazanan bir sektör haline gelmiştir. Böylece enerji kullanımı ve tasarrufu üzerine bazı tedbirler almak gerekmektedir. Bundan dolayı, enerjinin tasarrufu için, öncelikle meydana gelen çeşitli kayıplar incelenmeli, daha sonra gerekli tedbirler alınarak, kayıpların mümkün olduğu kadar azaltılması yoluna gidilmelidir. Enerji yönetimi, yaşam standartlarında ve üretimde herhangi bir gerileme olmaksızın, sadece mevcut olan enerjinin en etkin şekilde kullanılmasını amaçlayan plan ve programlara dayalı çalışmalardır. Bu yöndeki uygulamalar her ülkenin şartlarına göre farklılıklar göstermektedir. Sanayi işletmelerinin bir çoğunda, enerji giderlerinin, toplam giderler içerisinde önemli bir paya sahip olması nedeni ile, enerji yönetiminin, özellikle sanayi sektöründe uygulanması bir gerekliliktir. Elektrik enerjisi, hem ikincil enerji kaynağı hem de ticari enerji olma özelliklerinin yanısıra, iletiminin kolayca yapılabilmesi, istenilen miktarda bölünebilmesi, çevre kirliliği yaratmaması gibi özelliklere sahiptir. Fakat buna karşın, elektrik enerjisinin büyük bir dezavantajı da vardır ki, bu; elektrik enerjisinin üretildiği anda kullanılması zorunluluğudur. Çünkü elektrik enerjisinin depolama olanakları hem çok kısıtlı hem de çok pahalı olmaktadır. Bir diğer dezavantajı ise elektriğin; iletim kayıplarıdır. Ancak en son olarak şunu söyleyebiliriz ki; elektrik enerjisinin yukarıda sayılan avantajlarının yanısıra, elektrik enerjisinin üretiminde, hemen hemen tüm birincil enerji kaynaklarının kullanılabiliyor olması ve de elektrik enerjisinin aydınlatma, elektrometalurji dallarında başka hiçbir kaynakla ikame olanağının bulunmaması, bu kaynağın dünyada en çok kullanılan enerji türü olmasına ve çok büyük önem taşımasına neden olmaktadır. Endüstride elektrik enerjisi tüketiminin genellikle %10’u aydınlatmaya ve ısıtmaya, % 90’ı da elektrik motoruyla tahrike düşmektedir. Bu tahrik sistemlerini %95’i alternatif akım kısa devre rotorlu motorlardır. Elektrik enerjisinin maliyetinin diğer enerji türlerine göre yüksek olması, tasarruf oranının küçük olduğu durumlarda bile tasarruf maliyetinin bütçe içinde önemli bir paya sahip olmasını sağlar. Bu nedenle elektrik enerjisinde uygulanacak bir tasarruf programı, toplam maliyette önemli bir iyileşmeye yol açacaktır. Bir sanayi kuruluşu olarak elektrik enerjisi için daha az para ödemek; öncelikle yıllık çalışma saatine uygun tarifeyi seçmekle mümkündür. 407 Elektrik enerjisi tasarruf imkanlarını şöyle özetleyebiliriz: • Basit işletme tedbirlerinin alınması: a) Elektrik faturaları düzenli olarak izlenir ve tablo ya da grafik ile tüketim durumu ortaya çıkarılır. b) Kullanılmayan elektrikli cihazlar kapatılır. c) Devamlı kullanılmayan elektrikli cihazların fişleri çekilerek atıl çalışması engellenir. d) Elektrikli cihazların bakımı periyodik olarak yapılır. e) Tasarruf konusunda personel bilinçlendirilir. Pik talep değerlerini düşürme amaçlı yeni çalışma şekilleri belirlenebilir. • Küçük ve orta ölçekli yatırımların yapılması: a) Süzme sayaçları vb. ekipmanın sağlanması, aydınlatmada daha verimli armatürlerin kullanılması küçük ölçekli yatırımlardır. b) Elektriğin güç olarak kullanıldığı yerlerdeki yatırımlar orta ölçekli yatırımlardır. (DHS, Statik yol verici vb. ekipmanın sağlanması) Dünya elektrik enerjisinin 2/3’ ünü elektrik motorları (en yaygın olarak asenkron motorlar) tüketmektedir. Dünyadaki elektrik motor kullanım oranı % 77’ dir. DC motor kullanım oranı ise % 23’ tür. Bu oranlar yaklaşık olarak Türkiye için de aynıdır. ( Değerlendirmeler 5 - 6 sene öncesine aittir. Bugün için AC motor kullanım oranı çok daha yüksektir.) Bu durumda elektrik enerjisinde tasarruf yoluna gidilirken, elektrik motorları konusunda gereğince hassasiyet gösterilmelidir. 2. ELEKTRİK MOTORLARININ YAPISI ve ÇALIŞMA İLKESİ Bütün elektrik makinalarının çalışma ilkesi temelde şu iki fizik kuralına bağlıdır. a) Manyetik alan içinde akım taşıyan iletkene kuvvet etkir. b) Manyetik alan içinde hareket eden iletkende gerilim endüklenir. 408 Bütün elektrik makinaları (transformatör hariç) hem motor hem de generatör olarak çalışabilir. Uygulamada sık karşılaşılan elektrik makinaları; asenkron makinalar, senkron makinalar, doğru akım makinaları, özel elektrik makinaları (adım motorları, lineer motorlar, kütle rotorlu motorlar, sürekli mıknatıslı motorlar, üniversal motorlar vs.) Hemen hemen tüm elektrik makinaları, relüktans motoruna benzetilebilir. Duran kısım stator, dönen kısım rotor adını alır. Stator ve rotorda sargılar vardır. Asenkron motorlar (Endüksüyon motorları)endüstride en fazla kullanılan motorlardır. Bu nedenle, burada ayrıntılı olarak asenkron motorlara değinilmiştir. DOĞRU AKIM MAKİNALARI Doğru akım makinası, stator ve rotordan oluşur. Statorda uyarma sargıları, rotorda endüvi sargısı vardır. Uyarma sargıları makinanın çalışması için gerekli olan manyetik akıyı meydana getirir. Manyetik akı yolunu; kutup ayağı, stator boyunduruğu, hava aralıkları ve rotor gövdesi üzerinden tamamlar. Stator boyunduruğunda dc gerilimle çalıştığı için, çekirdek kaybı yoktur. Bu nedenle yekpare demir veya çelik olabilir. Kutup ayakları silisyum saç paketi olarak yapılır. Rotor saç paketinden,kollektör birbirinden yalıtılmış pirinç levhalardan yapılır. Fırça ise karbon-metal tozlarının karışımından yapılır. Genellikle, kristal yapısı sayesinde kendi kendini yağlaması özelliğinden dolayı grafit tozu tercih edilmektedir. Doğru akım makinalarında tambur sargı kullanılır. Tambur sargı iki şekilde olabilir: • Bükümlü sargı • Dalgalı sargı Bir makinanın sargısı, bobinlerden oluşur. Her bobin belli sayıda sarımdan meydana gelir. Bir bobinin iki bobin yanı vardır. Bobin yanları saç paketi üzerinde açılmış olan oluklara yerleştirilir. Doğru akım makinalarının sargıları iki tabakalı olarak yapılır. Böylece her olukta bir üst, bir alt bobin yanı vardır. Bobinin bir yanı N kutbu altından, bir yanı da S kutbu altından geçecek şekilde yerleşim yapılır. Doğru akım makinasının sarımı yapıldığında bütün oluklar dolar. Her bir olukta iki bobin bulunur. Ayrıca, bağlantılar yapıldığında, sargı, kapalı devre oluşturur. ASENKRON MAKİNALAR Asenkron motorlar (Endüksüyon motorları) endüstride en fazla kullanılan motorlardır. Asenkron motorların devir sayıları yükle çok az değişir, bu motorlar sabit devirli motorlar sınıfına girerler. Doğru akım şönt motorlarında devir sayısı 409 büyük sınırlar içinde değiştirilebilir. Fakat endüksüyon motorunun devir sayısı sınırlı olarak bir veya iki kademeli değiştirilebilir. Bu yüzden doğru akım şönt motor asenkron motordan daha üstündür. Fakat öte yandan; asenkron motorlar daha ucuzdur, bakım ihtiyaçları daha azdır. Ayrıca asenkron motorların çalışmaları esnasında arklar meydana gelmez. Bu özellikleri dolayısıyla asenkron motorlar, endüstride en çok kullanılan motorlar olmuştur. Stator: Stator asenkron motorun duran kısmıdır. 0.4 – 0.5 veya 0.8 mm kalınlığında silisyumlu demir saçlar özel kalıplarla preste basılır. Stator iki ya da daha fazla kutuplu olabilr. 3 faz sargısı (3 bobin) vardır. Sargılar arası faz farkı 120 derecedir. Dakikada devir sayısı: ns = 60 f / p’dir. f; frekans, p; bir çift kutup sayısıdır. ns , senkron devir sayısıdır. Bir başka deyişle; döner manyetik alanın devir sayısıdır. Rotor: Asenkron motorun dönen kısmıdır. Kısa devreli rotor (sincap kafesli rotor) ve sargılı rotor (bilezikli rotor) olmak üzere iki çeşit rotor vardır. 410 ŞEKİL 1. 1. Stator ve Gövde 2. Motor askı halkası ve rondelası 3. Stator sargısı 4. Stator sargısının uçları 5. Klemens tablosu 6. Motor ayağı ve tutturma vidası 7. Klemens kutusu ve kapağı 8. Rotor ve soğutma kanatçıkları 9. Motor mili ve kaması 10. Ön rulman iç kapağı 11. Ön kapak rulmanı 411 12. Yaylı rulman rondelası 13. Ön kapak 14. Rulman dış kapağı ve tesbit vidası 15. Arka rulman iç kapağı 16. Arka kapak rulmanı 17. Arka kapak ve tesbit vidası 18. Rulman kapağı ve vidası 19. Pervane ve segmanı 20. Pervane muhafaza taşı 2.2.1. Asenkron Motorun Çalışma İlkesi Şekil 2’ de görüldüğü gibi, NS daimi mıknatıs kutuplarının ortasına kısa devreli bir rotor yerleştirilmiştir. Kutupların bulunduğu gövde, bir motorun kasnağına kayışla bağlanmıştır. Kasnaktan alınan hareketle, NS kutuplarının tespit edildiği gövde döndürülünce, kısa devreli rotorun da aynı yönde dönmeye başladığı gözlenir. Kutuplar dönmediği zaman, N kutbundan çıkan manyetik kuvvet çizgileri rotordan geçerek, S kutbuna gelirler ve iki kola ayrılarak demir gövde üzerinden N kutbuna dönerler. Manyetik kuvvet çizgileri sayısında bir değişme olmadığı ve rotordaki kısa devre çubuklarını kesmedikleri için rotor çubuklarında bir EMK indüklenmez. ŞEKİL 2. 412 Kutupları saat ibresi yönünde (n) devri ile döndürelim. N kutbundan S kutbuna giden manyetik kuvvet çizgileri, duran rotorun kısadevre çubuklarını kestikleri için çubuklarda EMK’ ler indüklenir. Bakır veya alüminyum çubuklar rotorun iki tarafındaki bakır veya alüminyum halkalarla kısadevre edilmiş oldukları için çubuklardan indüklem akımları geçer. Rotorun NS kutuplarının döndüğü yönde dönmesi, iki şekilde açıklanabilir. a)Manyetik alan içinde bulunan rotor çubuklarından indüksiyon akımı geçirince, herbir çubuk manyetik alanın dışına doğru itilecektir. Şekil 3’ de görüldüğü gibi, N kutbunun altındaki çubuklarda akım yönü kağıttan bize doğru (Θ), S kutbunun altındaki çubuklarda ise akımın yönü bizden kağıda (⊕) doğrudur. Bu şekilde çubukların itiliş yönleri işaretlenmiştir. N kutbunun altındaki çubuklar sağ tarafa, S kutbunun altındaki çubuklar sol tarafa doğru itilirler. Meydana gelen kuvvet çiftinin etkisi ile rotor saat ibresi yönünde dönmeye başlar. b) Rotor çubuklarından geçen indüksiyon akımları rotorda, Şekil 3’ de görüldüğü gibi, Nr ve Sr kutuplarını meydana getirilir. Dönen NS kutuplarının etkisi ile rotor saat ibresi yönünde (Benzer kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar birbirini çeker.) dönmeye başlar. Rotor dönmeye başlayınca, NS kutupları manyetik akısının rotor çubuklarını kesme hızı (devri) azalacağı için rotor çubuklarında indüklenen EMK’ lar azalır. Dolayısıyle, çubuklardan geçen indüksiyon akımları da azalır. Rotoru döndüren döndürme momenti azalır. Rotorun devri, dönen NS kutuplarının devrine eşit olduğu zaman, rotor çubukları manyetik kuvvet çizgileri tarafından kesilmez ve rotor çubuklarında EMK’ lar indüklenmez. Bu nedenle, çubuklardan indüksiyon akımı geçmez. Kısadevre çubuklarından akım geçmeyince manyetik alan tarafından itilmezler. 413 ŞEKİL 3. Rotoru döndüren moment ortadan kalkınca, NS kutupları ile beraber aynı devirle dönmekte olan rotorun devri azalır, yani rotor geri kalır. İşte bu sırada rotor çubukları yeniden manyetik kuvvet çizgileri tarafından kesilmeye başlarlar ve çubuklarda EMK’ lar indüklenir, endüksiyon akımı geçer. Rotor manyetik alan meydana getirir ve dönen NS kutuplarının peşinden sürüklenerek dönmeye devam eder. Hiçbir zaman rotorun devir sayısı NS kutuplarının devir sayısına eşit olmaz. ns = 60 f / p idi. Rotor devir sayısını ise nr olarak gösterelim. O halde hiçbir zaman ns = nr olmaz. Bu durumda S sembolü ile göstereceğimiz bir kayma sözkonusu olur. S= ns − nr 100 ns Rotor devir sayısı, senkron devirden daha azdır. 2.2.2. Motor Kayıpları Yüklü motor, şebekeden çektiği gücün hepsini milinde mekanik güç olarak vermez. Bir kısmı ısı şeklinde kaybolur. Bunlar; Mekanik ve Elektrik kayıpları olarak ikiye ayrılır. Mekanik kayıplar Dönen rotor yataklarındaki sürtünme ve motor milindeki pervanenin hava ile sürtünmesiyle meydana gelen kayıplardır. Elektrik kayıpları: Statordaki döner manyetik alan, demir kayıplarına neden olur. İki bileşeni vardır; kullanılan çeliğin fiziksel karakteristiği tarafından belirlenen Histerisiz kayıpları ve çelik katmanlarının yapısına bağlı olan Fuko akım kayıpları. 414 Stator ve rotor sargılarından geçen akımlar, bu sargıların etkin omik dirençlerinden dolayı bakır kayıplarına (RI2) neden olurlar. Sürtünme ve demir kayıpları, motor boşta çalışırken meydana gelir. Asenkron motorun boşta çektiği güç = stator demir kaybı + stator bakır kaybı + rotor sürtünme kaybı Boşta çalışan motora gerilim daha az uygulanırsa, stator demir ve bakır kayıpları azaldığı halde, rotorun devir sayısındaki azalma çok fazla olduğu için, sürtünme kaybı sabit kalır. Bakır kayıplarını bulmak için rotor kitlenir. Böylece rotor sürtünme kaybı sıfır olur. Motorun şebekeden çektiği kısa devre akımının geçmesine neden olan Uk gerilimi, normal gerilimin % 20, % 35’ i kadardır. Motorun şebekeden çektiği kısa devre gücü, bakır kayıplarına eşittir. Motor kayıplarını şu şekilde özetlemek mümkündür. Boşta çalışırken: • Demir kayıpları • Sürtünme (mekanik) kayıplar Yükte çalışırken: • Stator bakır kayıpları (Primer kayıplar) • Rotor bakır kayıpları (Sekonder kayıplar) • Yükün dalgalanması ile oluşan kayıplar Stator (Primer) kaybı; stator akımına ve dirence bağlıdır. Stator akımı; = Rotor (Sekonder) kaybı; Rotor kaybı = S= n s − nr ns Elektrik . güç ( Watt ) Geri lim x Güç Faktörü x 3 ( Çıkış gücü ( BG )746 + FW ) x S 1− S 100 ve FW; sürtünme ve hava sürtünme kayıpları 415 2.2.3. Asenkron Motorun Boşta Çalışması Motorun milinde yük olmadığı zaman, rotor devri (nr), döner alanın devir sayısı (ns) yani; senkron devir sayısına yakındır. Rotor devri, döner alan devrinden yaklaşık olark % 1 daha azdır. (S = %1) Boşta çalışan asenkron motorlar, şebekeden normal akımlarının (tam yük akımları) % 15’ i, % 50’ si kadar akım çekerler. Motor, boştaki statorun demir ve rotorun sürtünme kayıplarını karşılamak için şebekeden akımın enerji bileşenini çeker. Ayrıca bir miktar reaktif bileşeni de (mıknatıslanma akımı) çeker. Motorun boştaki güç katsayısı düşüktür. 2.2.4. Asenkron Motorun Yükte Çalışması Motor boşta çalışırken kayma miktarı S = % 1 idi. Yük binince, rotor devri azalır ve S büyür. Döner alanın rotor çubuklarını (sargılarını) kesme hızı artar. Rotorda indüklenen EMK büyür. Faz akımları (rotor çubuklarından geçen) büyür. Motorun şebekeden çektiği akım artar. 2.2.5. Asenkron Motorun Verimi Verim ( η ) = Alınan güç ( Pa ) Verilen güç ( Pv ) 100 Verilen Güç – Alınan Güç = Kayıplar Verim = 0 .746 x Çıkışgücü ( Beygir Gücü BG ) Giriş gücü ( kW ) Verim = Giriş gücü − kayıplar Giriş gücü Verim = Çıkış gücü Çıkış gücü + kayıplar Motor veriminin direkt ölçüm yöntemleri: • Fren testi 416 • • Dinamometre testi Kopya makinası testi Motor veriminin indirekt ölçüm yöntemleri: • • Eşdeğer devre hesabı yöntemi Giriş ölçümü ve kayıpların ayrılması yöntemi Asenkron motorun şebekeden çektiği güç hassas olarak watmetrelerle ölçülebildiği halde, motorun milinden alınan mekanik güç, aynı hassasiyetle ölçülemez. Bu yüzden, bir motorun verimini (randımanını) bulmak için, kayıpların deneylerle bulunması ve hesaplanması yolu tercih edilir. η= pv − pkayıp pv ⎛ pkayıp ⎞ ⎟ 100 100 = ⎜ 1 − pv ⎠ ⎝ Örnek problem: 7.5 HP (Beygir gücü), 380 volt, 12 A, 50 Hz., 1450 d/d yıldız bağlı asenkron motor, boşta 4 A., 350 W çekiyor. Motorun iki ucu arasında ölçülen 75 derecedeki doğru akım direnci 0.30 Ω’ dur. Motor tam yük altında çalışırken şebekeden 6500W çekiyor. a) Motorun tam yükteki kaymasını b) Rotor giriş gücünü ve rotor bakır kayıplarını a) Rotordan alınan gücü (rotorda meydana gelen içi gücü) b) Motor verimini hesaplayınız. Çözüm: a) S = ns − nr 1500 − 1450 100 = 100 = 3.3 ns 1500 b) Motorun boşta çektiği 350 W, stator bakır ve demir kayıpları ile sürtünme kaybının toplamını verir. Boşta stator bakır kaybı, Ps.Cu = 3 Rs I02 Stator etkin faz direnci, Rs = 0 .3 12 . = 0 .18 Ω 2 Ps.Cu = 3 x 0.18 x 42 =8.64 W Stator demir kaybı ile sürtünme kaybı toplamı, Ps.Fe + Psür. = 350 – 8.64 = 341.36 W Rotor giriş gücü, Pr.gir = Pmot.gir. – PFe.Sür. - Ps.Cu Tam yük stator bakır kaybı, Ps.Cu = 3 Rs I2 = 3 x 0.18 x 122 =77.76 W 417 Tam yükte rotor giriş gücü, Pr.gir. =6500 – 341.36 – 77.76 =6080.9 W c) Rotor bakır kaybı, Pr.Cu = s Pr.gir. = 0.033 x 6080.9 = 200.7 W Rotordan alınan güç (rotorda meydana gelen mekanik güç) Pa = Pr.gir. – Pr.Cu = 6080.9 – 200.7 =5880.2 W veya Pa = Pr.gir. (1 –s) = 6080.9 (1 – 0 033) =5880.2 W d)Verim, η = Pa 5880 .2 100 = 90 .5 = % 90 .5 100 = 6500 Pv 2.2.6. Asenkron Motora Yol Verme Kısa devre rotorlu asenkron motorlar ilk kalkınmalarında normal akımlarının 4 - 6 katı kadar akım çekerler. Motor boşta iken, bu akım normale 2 – 3 saniyede döner. Yüklü ise bu durum 10 – 20 saniye sürer. Büyük güçteki motorlarda, bu ani kalkınma akımı, enerji iletim hattındaki gerilim düşümlerini arttırır. Küçük güçte olan motorlarda ( 5 BG altında olanlar) bu oran çok yüksek değildir. Motora yol verme: • Direk yol verme (5 BG ve altındakiler) • Düşük gerilimle; a) Seri dirençle b) Seri reaktansla c) Oto trafo ile d) Yıldız – üçgen şalterle yapılır. Statik Yol Vericiler -Soft Starter: Düşük gerilimli motor kontrol cihazı ve starterdir. Soft starter, motorun düşük yükte çalışması gerektiği durumlarda oldukça faydalıdır. Faz kaybından motoru korur. Faz kaybı olduğu durumlarda, soft starter, motoru otomatik olarak durdurur. Uygulama alanları: • Bileme tezgahları • Öğütücüler • Kalıp makinaları • Parçalama makinaları • Vantilatör • Mikser sürücüleri 418 • Taş kırma makinaları • Ezici makinalar • Freezeler Motorun ters yönde döndürülmesi esnasında da soft starter uygulanır. Sağladığı faydalar: • Elektrik enerjisi tüketiminde tasarruf sağlar. • Motorun güç faktörünü yükseltir. • Motora yumuşak yol verme sistemini sağlar. • Motorun çalışma ısısını düşürür. • Motorun beslendiği gerilimi, gereken seviyede tutar. • Faz kayıplarından motoru korur. Elektrik enerjisinde tasarruf: Düşük yükte çalışan motorlar tam yükte çalışıyor gibi enerji tüketirler. Soft starterlar, güç tüketiminin, yük koşulları ile orantılı olmasını sağlayan motor koşullarını yüke elektronik olarak uydurur. Güç faktörünü düzeltme: Saniyede 120 kez motorun gücünü ayarlar. Momenti ve dakikadaki devir sayısını azaltmadan istenen gücü uygular. Gerçek kW değerini azaltarak, güç faktörünü artırır. Yumuşak yol verme: Motorun ilk kalkınma akımı normal çalışma akımının 6 – 8 katı fazlasıdır. Soft starter bunu 2 – 3 katına düşürür. Böylece düşük çalışma sıcaklığı sağlar. Isıyı kontrol eder: Akımın azalması ile ısı da azalacağı için motor daha soğuk (daha verimli) çalışır. Gerilim ayarı: Düşük gerilim kontrolü, minimum çalışma gerilimini ayarlar. Eğer seviye minimumun altına düşerse, kontrol cihazı motoru kapatır. Kapatma seviyesi çalışma geriliminin % 50 - % 100’ üne kadar değişir. 3.ELEKTRİK MOTORLARINDA VERİMLİLİK ve TASARRUF 3.1. Elektrik Motorunun Verimini Etkileyen Faktörler Ebad: Motor verimi özellikle küçük güçlü motorlarda, motor ebadı ile oldukça önemli oranlarda değişmektedir. Ancak ebadı büyük motorların daha verimli çalıştığı da bir 419 gerçektir. Bunlarda sıcaklık artışını sınırlamak amacı ile daha ağır demir göbek ve daha kaliteli malzeme kullanılmıştır. Yük: % 50 yükte çalışan bir motorda yaklaşık olarak sabit bir verim elde edilir. Yük düştükçe ve boşta çalışma durumlarında verim ve güç faktörü düşer. ŞEKİL 4. Standart Endüksiyon Motorunun Yük-Verim Eğrisi Güç Faktörünün İyileştirilmesi: Düşük güç faktörünün çok yaygın olarak bilinen nedeni; indüksiyon motorlarıdır. Güç faktörünün düşmesine neden olan diğer manyetik özellikli aletler; selenoidler, ark kaynakları, indüksiyon fırınları ve kaldırma fırınlarıdır. Bu cihazlar, transformatörlerin ve iletim hatlarının akım taşıma kapasitesi üzerine ekstra bir yük şeklinde binen, mıknatıslanma akımı olarak bilinen ek bir akım bileşeni çekerler. Uygulamadaki reaktif güç kompanzasyonunda güç faktörünün 0.90 – 1.00 aralığına yükseltilmesi istenir. Yüksek güç faktörlü lamba balastları gibi bazı elemanlar kendiliğinden güç faktörünü düzeltirler. Öte yandan, bir indüksiyon motorunun da güç faktörü, yükün bir fonksiyonudur. 420 ŞEKİL 5. İndüksiyon motoru tam yüke yakın çalıştığında yüksek güç faktörüne sahiptir. Ancak düşük yüklerde güç faktörü 0.4’ e kadar düşebilir. Bunun nedeni akımın Watt’lı bileşeninin, motorun ne kadar yüklendiğine bağlı olmasına karşılık, manyetik alan sağlayan Watt’ sız bileşeninin hep aynı kalmasıdır. Güç faktörünü düzeltmek için kondansatörler en basit ve yaygın olarak kullanılırlar. Ayrıca dinamik faz kaydırıcılar da ( senkron makinalar) kullanılırlar. Senkron makinaların kondansatörlere göre dezavantajları: • • • • Kayıplar daha yüksek Devamlı bakıma ihtiyaç duyarlar. Güçleri büyük olduğu zaman ekonomik olarak temini ve inşaası mümkün değildir. Generatör ile yüksek gerilim enerji nakil hatları ve bunlara ait transformatör reaktif güçten arındırıldıkları halde tüketim merkezlerine ait orta gerilim şebekeleri ile alçak gerilimli dağıtım şebekeleri reaktif güçten kurtarılamaz, onlar da reaktif güç taşımak zorunda kalırlar. 421 3.2. Elektrik Motorunu Verimli Çalıştırma Koşulları ve Elektrik Motorunun Verimini Artırma Yolları • Motor yeterli performansı etiket geriliminin ± % 10’ u ve frekansın ± % 5’ i olan değerlerdir. (Yüksek gerilimler motorun sıcaklığını, hızı ve titreşimi artırır ve motor kontrol rölesine zarar verebilir.) Elektrik motorlarının anma geriliminde çalıştırılmaları, en verimli işletme biçimidir. Bu nedenle motorlar için anma gerilim değerleri sağlanmalıdır. Dağıtım sistemi boyunca gerilim düşmesinin makul bir limit değerde bulunması için, motor terminallerindeki gerilim periyodik olarak kontrol edilmelidir. Çok fazlı indüksiyon motorlarında gerilim dengesizliği önemli kayıplara yol açar. Fazlar arası gerilim farklılığı, giriş geriliminin % 2.5’ i kadar farklı olduğunda, motorun verimliliğini % 10’ un üzerinde azaltır ve aşırı ısınmaya neden olur. Gerilim dengesizliği, fazlar arası gerilimin % 1’ ini aşmayacak şekilde dağıtım transformatörü kademelendirilerek giderilebilir. • • • • • • Yük etikette belirtilen değerin üstünde olmamalıdır. Elektirk motorlarından yüksek verim alabilmek için tam yükte çalıştırılmalıdır. En iyi yük % 70 – 80’ ler civarındadır. Sıcaklık belirtilen değerin üstünde olmamalıdır. Sistem kayıplarını azaltmak ve motoru daha verimli kullanmak için, büyük güç gereken yerlerde yüksek gerilimli motorlar kullanılmalıdır. Anma hızının yarısında çalışan sabit hızlı bir motor şanzıman sistemi, tükettiği enerjinin yarısını ısı enerjisine dönüştürerek kayıplara neden olduğundan; bu sistemin yerine DA değişken gerilimli ya da AA değişken frekanslı motorlar seçilmelidir. Makinaların ve tahrik sistemden optimum yaralanılmada, çalışma hızının yükseltilmesi ile verim arttırılır. Yıldız-üçgen bağlama; yol alma akımının azaltılması olanağını sağlar. Bu bağlama yalnız; tahrik sistemi, bulunduğu işletmedeki şebeke gerilimine uyacak şekilde üçgen bağlamaya müsaade ediyorsa mümkündür. Yıldız bağlama basit şekilde ifad edilecek olursa; motorun nominal gücünün üçte bir elektriksel olarak küçülmesine karşılık gelir. Örneğin; 380 / 660 V gerilim için yerleştirilmiş ve 380 V’luk bir işletme geriliminde çalışan bir 9 kW’lık motor, yıldız işletmede 3 kW’a kadar mekanik güç verebilir. Bundan tam yüklenmiş tahrik sistemlerinde verimin ve güç faktörünün düzeltilmesinde yaralanılabilir. Eğer bir tahrik sisteminin yüklenmesi sürekli olarak nominal yükünün üçte birinin altında bulunuyorsa,(Bu duruma 422 • birçok kullanan kimsenin ümit ettiklerinin aksine çok sık rastlanır.) tahrik sistemi sürekli olarak yıldız bağlantıda çalıştırılabilir. Kaliteli elektrik malzemelerinin kullanılması gerekmektedir. Elektrik motorlu tahrik devrelerinin kullanıldığı tüm endüstri dallarında kullanılan standartlara uymayan kalitesiz malzemenin neden olduğu kayıplar genelde gözden kaçmaktadır. Bunun ise, yılda yaklaşık 200 milyon kW değerine ulaşabileceği istatistiksel olarak kanıtlanmıştır. Türkiye genelinde, 1990 yılında 2000 milyon kWh’ a (Brüt üretimin % 6’ sı) ulaşan şebeke kaybının belirli bir kısmı kalitesiz malzeme kaybından kaynaklanmıştır. • Günümüz elektrik mühendisliği teknolojisi, elektrik motorlu tahrik devrelerinin, güç elektronik devrelerle donatılmış, otomatik kontrol sistemlerinin niteliklerini taşıyan mikrobilgiişlemcilerle donatılmış olmasını gerektirmektedir. • Çok sayıda küçük kapasiteli transformatör yerine az sayıda büyük kapasiteli transformatör kullanılmalıdır. Örnek 1: Transformatör Kaybı Hesabı 1000 kva’ lık transformatör iki vardiya işletmesinde (4160 h/yıl), % 90 yükte işletilecektir. Geri kalan zaman süresince, 4576 h/yıl, % 8 kapasitede çalıştırılacaktır. A ve B transformatörleri olmak üzere iki alternatif vardır: Fiyatı Yüksüz kaybı Tam-yük kaybı A Trans. 8200 $ 3.2 kw B Trans. 8800 $ 3.2 kw 3.2 kw 3.2 kw Enerjinin birim fiyatı: 0.05 $ / kWh İstenen: B’nin seçilmesi ile gerçekleştirilen yıllık işletme gider tasarrufu ? Geri ödeme süresi ? Çözüm: 423 % 90 ve % 8 kapasitenin her ikisi için kayıplar bulunmalıdır. Tam yük kaybından boştaki yük kaybını çıkardığımızda; çeşitli yük kademelerindeki kayıpları belirleyecek olan rakamı elde ederiz. Çünkü; tam yük kaybına, boştaki yük kaybı da dahildir. Kabul: Azaltılmış kapasitedeki yük kayıpları, yükün karesiyle değişir. (yük kaybı ∼ yükün karesi) A transformatörü için: 1) %100 yükteki yük kayıpları: 18 – 2.8 = 15.2 kw 2) % 90 yükteki yük kaybı: 15.2 x 0.92 = 12.312 kw 3) % 8 yükteki yük kaybı: 15.2 x 0.082 = 12.312 kw 4) % 90 yükte toplam kayıp: 12.312 + 2.8 = 15.112 kw 5) % 8 yükte toplam kayıp: 0.097 + 2.8 = 2.897 kw B transformatörü için: 1) %100 yükteki yük kayıpları: 15 – 3.2 = 11.8 kw 2) % 90 yükteki yük kaybı: 11.8 x 0.92 = 9.558 kw 3) % 8 yükteki yük kaybı: 11.8 x 0.082 = 0.07552 kw ≅ 0.076 kw 4) % 90 yükte toplam kayıp: 424 9.558 + 3.2 = 12.758 kw 5) % 8 yükte toplam kayıp: 0.076 + 3.2 = 3.276 kw A’yı işletmek için yıllık gider: [ ] 005 . $/ kWh 15112 . kW*4160h/ yıl+2897 . kW*4576h/ yıl =3806$/ yıl B’ yi işletmek için yıllık gider: [ ] 005 . $/ kWh 12758 . kW*4160h/ yıl+3276 . kW*4576h/ yıl =3403$/ yıl B’ nin seçilmesi ile gerçekleştirilen yıllık gider tasarrufu: 3806 – 3403 = 403 $ / yıl Geri ödeme süresi = • • 8800 − 8200 403 $ ≅ 1.5 yıl $ / YIL Kısa süreli de olsa makinalar boşuna çalıştırılmamalıdır. Elektrik motorunun bakımı ihmal edilmemelidir. Motorun uygun şekilde yağlanması ile mekanik kayıplar azaltılmalıdır. Aşırı gerilim düşmesinin nedeni; zayıf bağlantılar ve yanık kontaktörlerdir. Bu nedenle elektriksel bağlantıların iyi yapılıp yapılmadığı periyodik olark kontrol edilmelidir. Düzenli bakım, kayıpları azalttığı gibi tesisatın ark ve korozyonunu önler. • Ekipman değişikliğine gidilmesi. Eski ve verimsiz ekipmanı değiştirmek, eldeki tesisatın elektriksel kullanım verimliliğini artırır. Gerekli tahrik gücünden büyük motorları, tahrik gücüne yakın daha verimi motorlarla değiştirmek daha iyi bir güç faktörü sağlar. Gerekli tahrik gücünden büyük motor, pompa ve kompresör kullanmaktan kaçınılmalıdır. İndüksiyon motoru için yüke göre verimlilik ve güç faktörü grafiği Şekil 6’ da verilmiştir. ŞEKİL 6. ‘15 kW’lık 3 Fazlı Sincap Kafesli Motorun Verim ve Güç Faktörü Grafiği’ 425 Motor verimliliği, tam yükten, yük değeri % 75’ e düşünceye kadar hemen hemen sabittir. Daha düşük yüklerde özellikle tam yük değerinin % 40’ nın altındaki değerlerde verimlilik oldukça hızlı düşer. Aynı şekilde güç faktörü de yükteki azalmayla birlikte oldukça hızlı bir şekilde düşer. Bazı durumlarda daha büyük güçlü motorlar yüksek kalkış momentini yenebilmeleri için zorunlu olarak kullanılırlar. Soft starterlar, kısmi yükte çalışan büyük hacimli motorların güç faktörünü düzeltmektedir. Cihaz izlediği güç faktörü yardımı ile motor yükünü hisseder ve motor boşta veya kısmi yükte çalışırken motor giriş gerilimini azaltır. Bu cihaz, motorlar çok düşük güç faktörüne sahipse elektrik enerjisinden tasarruf sağlar. Yüksek verimli Motorlar: Dönen rotor yataklarındaki sürtünme ve motor milindeki pervanenin hava ile sürtünmesiyle meydana gelen mekanik kayıpları ve statordaki döner manyetik alanın neden olduğu demir kayıplarını (İki bileşeni vardır; kullanılan çeliğin fiziksel karakteristiği tarafından belirlenen Histerisiz kayıpları ve çelik katmanlarının yapısına bağlı olan fuko akım kayıpları.) minimize etmek üzere geliştirilen motorlardır. Ayrıca yüksek verimli motorların dizaynında ele alınan bir diğer parametre ise yük durumudur. Şekil 7’de yüksek verimli bir motorla standart motorun çeşitli yük miktarlarındaki verimlilikleri verilmiştir. ŞEKİL 7. Yüksek Verimli Motor ile Standart Motorun Yük-Verim Eğrileri 426 Yüksek verimli motorlar sürekli ve uzun zaman kullanıldığında kendilerini geri ödeme süresi oldukça kısadır. Yüksek verimli motorun sağladığı tasarruf ; ⎛ 100 100 ⎞ − ⎟ Ee ⎠ ⎝ Es S = 0.746 x Motor Gücü (BG) x L x C x N x ⎜ S: Tasarruf miktarı L: Yük faktörü C: Elektrik fiyatı N: Çalışma süresi Es : Düşük verimli standart motor verimi Ev : Yüksek verimli motor verimi Örnek 2: 427 Motor A Tasarım: Standart İndüksiyon Motor Nominal güç: 5 HP Verim: % 83.1 İşletim süresi : 4000 saat/yıl Talepedilen güç( kW)= Motor B Tasarım: Yüksek Verimli Motor Nominal güç: 5 HP Verim: % 87 İşletim süresi : 4000 saat/yıl Motor gücü ( HP) x 746 W / HP Verim x 1000W / kW kWh : kW x İşletme süresi 4000 saat/yıl = 16 saat/gün = 250 gün/yıl Motor A: Yılda 17954 kWh’lık enerji tüketir. Motor B: Yılda 17149 kWh’lık enerji tüketir. Daha verimli motor 1 yılda 805 kWh’lık tasarruf sağlar. Bu durumda , bu tasarruf miktarı; motor B’ nin motor A’ ya göre fazla olan maliyetini 1 yılda geri öder. Örnek 3: Yüksek verimli bir 50 HP’ lik bir motorun aynı güçte standart bir motorla kıyaslanmasını yıllık işletme gider tasarrufu ve geri ödeme süresiyle yapınız. Kabul: Yüksek verimli bir motor için % 25’ lik fiyatta % 1.5’ lik verim artışı olmaktadır. Motorun fiyatı: 330 x 106 TL Tam yükteki verimi: % 91.5 Enerjinin birim fiyatı: 10 000 TL / kWh HP : Horse Power : Beygir Gücü : BG Çözüm: Motor Standart Yüksek Verimli Verim (%) 91.5 93.0 Fiyat(TL) 330 milyon 412 500 000 428 P= MOTOR GÜCÜ ( BG ) X YÜK MİKTARI X 0746 . ( kW / BG ) % YÜKTEKİ VERİMİ MOTORGÜCÜB ( GXY ) ÜKMİKTARIX07 . 46(kWB / G) C= XELEKTM . ALY.(TL/ kWh) %YÜKTEKİVERİMİ C: Elektrik motorunun saat başına işletme gideri (Cs standart; yüksek verimli elektrik motoru için saat başına işletme gideri olarak tanımlanmıştır.) Not: Eğer yük miktarı belirtilmemişse, yükü ‘tam yük’ olarak kabul edeceğiz. Yük, tam yük olduğu zaman ; P= MOTOR GÜCÜ X %100YÜK X 0 .746 TAM YÜKTEKİ VERİMİ Verim = % 91.5 Bunun % 1.5’i = 91.5 x 1.5 /100 = 1.375 91.5 + 1.375 = 92.875 ≅ 93 330 milyon x 25 / 100 = 82.5 milyon 330 milyon + 82.5 milyon = 412.5 milyon Standart motor için: CS = ( 50 HP ) X ( 0 .746 kW / HP ) X 10 000 TL / kWh 0 .915 Cs = 407 650 TL / h Yüksek Verimli motor için: CY = 50 X 0 .746 X 10 000 0 .930 CY = 401 075 TL / h 429 Tasarruf: CS – CY 407 650 – 401 075 = 6575 TL / h Yıllık para tasarrufu? İki vardiya: 16 h/gün Haftada 5 gün çalışma: (16 h/gün) x (5 gün / hafta) x (52 hafta/ yıl) = 4160 h/yıl CS – CY = 6575 X 4160 = 27 352 000 TL/yıl Geri ödeme süresi: 412 500 000 − 330 000 000 ≈ 3 YIL 27 352000 3.3. Elektrik Motorunun Bakımı • Motor Tekrar Sarımı: Sarımın en doğru şekilde yapıldığı durumlarda motorun eski verimine yakın bir verim elde edilebilmektedir. Ancak çoğunlukla bu yüksek işçilik maliyeti gerektirir. Sürekli çalışan motorlarda verimde % 1'lik bir düşme bile enerji maliyetini önemli ölçüde arttırır. Bu nedenle sarımın tekrar yapılması yerine bu motorun yenisi ile değiştirilmesi daha uygundur. • Mekanik Kayıpların Azaltılması: Motor yataklarındaki aşınma ve sürtünmeden dolayı meydana gelen mekanik kayıplar imalatçısının önerdiği şekilde yağlama yapmak suretiyle azaltılabilir. Yağlamada önemli olan, koşullara uygun bir tür yağlayıcı maddenin seçilmesidir. • Yağlama: Stator ve rotor yatakları uygun biçimde yağlanmalıdır. Uygun olmayan yağlama motorda ve bağlı olduğu tahrik sisteminde sürtünme artışına, dolayısıyla motor sıcaklığında artışa, iletkenlik direncinin artmasına, verimin düşmesine yol açar. Sıcaklıkta her 10 derece artış, sargı ömrünü yarıya indirmektedir. • Havalandırma ve soğutma sisteminin bakımının yapılmaması; motorda sıcaklık artışına, verimin düşmesine ve motor ömrünün kısalmasına neden olur. • Motor kontrolü ile yük durumu kontrol edilmelidir. • Motorun genel temizliği yapılmalıdır Yataklarda ve vantilatörlerde kir, toz birikmemesine çalışılmalıdır. • Mekanik düzgünlük (eksen kaçıklığı) kontrol edilmelidir. • Yalıtkanlığın elektriksel kontrolü ile elektrik besleme hattı kablolarının uygun biçimde boyutlandırılmış olup olmadığı, bağlantı yerlerinin sağlamlığı kontrol edilmelidir. 430 3.4. Elektrik Motorunun Seçimi Elektrik motoru ihtiyaca göre olan büyüklükte seçilmelidir. Gereğinden daha küçük motor işlevini yerine getiremez. Gereğinden büyük motorların ise, küçük yükte çalıştırıldığında (% 50 kapasitenin altında çalışan elektrik motorları - oversized electrical motors), verimleri ve güç faktörleri düşer. Maalesef tüketicilerin tesislerinde, çoğunlukla sadece kısmi yükle çalışan büyük güçte motorlar vardır. Bu büyük motorların, fiili ihtiyaca uygun tiplerle değiştirilmesi önerildiğinde, çoğunlukla tesisin veriminin önemsiz derecede iyileşeceği ve hatta bazı hallerde kötüleşebileceği itirazı ile karşı karşıya kalınmaktadır. Yarı yüklenmiş bir motorun, tam olarak yüklenecek küçük bir motorla değiştirilmesi halinde güç çekişi bakımından önemli bir kazanç sağlanmadığı savunulmaktadır. Ancak bu, sadece; tüketici açısından, o motorun verimi ve aktif güç çekişi göz önünde bulundurulduğu zaman doğrudur. Fakat motorun görünen güç ihtiyacı göz önüne alınırsa; durum farklılaşır. Seçilen motor tipi ne kadar büyükse, magnetik alanı teşkil etmek için gerekli reaktif güç ihtiyacı ve bununla birlikte, motorun görünen güç çekişi de o kadar büyük olmaktadır. Genellikle % 75’ e kadar yüklenmiş motorlar değiştirildiklerinde, görünen güç çekişinde fark edilir bir azalma elde edilir ve bu sonuncu güç, şebekenin akım bakımından yükünü tayin eder. Şebekede var olan tahrik motorlarından az yüklü olanlarının büyük bir kısmında sistematik olarak yapılan değiştirme işleminden sonra, reaktif güç ihtiyacında fark edilir bir azalma gözlenmiş, böylece santrallerin ve hatların yükünde ve buna bağlı olarak da taşıma kayıplarında azalma elde edilmiştir. Bu etki, yüksek ve orta gerilim şebekesini ve eğer alçak gerilim motorları söz konusu ise, aynı zamanda alçak gerilim şebekesini de kapsar. Motorlar için geçerli olan tüm bunlar, mahalli şebeke transformatörleri için de geçerlidir. Örneğin; mahalli şebeke transformatörlerinde nisbeten az olan bakır kayıplarının yanında, yüksek oranda boşta çalışma kayıpları göze çarpmaktadır. Çünkü fiili ihtiyacın daha üstünde olan trafolarda, demir kayıpları ve reaktif güç ihtiyacı daha fazladır. Bu durumda, az yüklenmiş olan mahalli şebeke trafolarının, fiili ihtiyaca uygun tiplerle değiştirilmesi ile, şebeke kayıpları önemli ölçüde azaltılmış olacaktır. Ancak; az yüklü büyük güçteki transformatör, daha küçük güçte olan bir transformatöre değiştirilmeden önce, yeni konulacak transformatörün, gelecek yılda beklenen güç artışını karşılayıp karşılayamayacağının kontrolü mutlaka yapılmalıdır. Elektrik tesislerinde güç ihtiyacı belirlendikten sonra, bir rasyonalizasyon çalışması olarak motorların tiplerinin düzene sokulması ve güçlerinin normlaştırılması gerekmektedir. Örneğin bir yürüyen bandın tahrikinde 44 motor yerleştirilmiştir. Bu motorlar 16 güç kademesine sahiptir. Devir sayısı farklılıkları da göz önüne alınacak olursa, toplam olarak 21 çeşit motor tipi ortaya çıkmaktadır. Ancak, güç çeşidini 7 ile sınırlandırmak yoluyla, toplam tahrik gücünü % 40 indirmek mümkün olabilecekti. 431 Sonuç olarak diyebiliriz ki, elektrik motorunun seçiminde öncelikle dikkat edilecek nokta, ihtiyaca cevap verecek büyüklükte olmasıdır. Eğer büyük güçteki bir motor küçük yükte çalıştırılıyorsa, burada gereksiz yere daha fazla demir kayıpları olacak ve yedekleme maliyeti artacak, düşük güç faktörüne yol açacaktır. Düşük güç faktörü ise, • • • • Yeni tesisin maliyetinin artmasına Gerilim düşümlerinin kabul edilen sınırların üzerine çıkması, enerji üreten ve dağıtan işletmelerde zor gerilim ayarı ve daha güçlü jeneratör gereksinimine, Elektrik enerjisi tüketen abonelerde ve enerji üreten işletmelerde, daha büyük güçte transformatör, daha büyük kesitli iletken ve daha düşük verime Elektrik enerjisi tüketen abonelerde, daha pahalı tarifeden elektrik tüketimi, hat ve transformatörlerden daha az faydalı enerji çekmesine neden olur. 3.5. Sürücü Sistemler Endüstriyel kontrolde elektrik motorlu sistemlerin payı % 70 - 80 dolayındadır. Ülkemizde 1993 - 1994 yılları verilerinde; AC motor kullanım oranı % 77 DC motor kulanım orani % 23 AC motorlarda sürücü sistem kullanım oranı % 20 ( Bu oran gelişmiş ülkelere göre çok düşüktür.) DC motorlarda sürücü sistem kullanım oranı %90 Günümüzde AC motorlarda sürücü sistem kullanım oranı hızla artış göstermiştir. Sürücü Sistemin Faydaları Sürücü sistemler sayesinde motorlarda geniş bir çalışma frekans ve gerilim bölgesi, motor dönüş yönünün yumuşak değiştirilmesi sağlanır. Sürücü Sistemler ile Verimi Arttırmanın Yolları • Yüksek verimli motorlar • Motor denetleyicileri • Değişken hızlı sistemler Değişken Hızlı Sistemler; • Elektronik Değişken Hızlı Sürücüler, • Değişken Hızlı Motorlar 432 • Elektromekanik Sürücüler AC Değişken Hızlı Sürücüler: • • • DGM Gerilim Kaynaklı Evirgeç Altı Adımlı Gerilim Kaynak Evirgeç Altı Adımlı Akım Kaynak Evirgeç DGM Gerilim Kaynaklı Evirgeç. Avantajları: • • • • • • • Yüksek verim Düşük hızlar dahil olmak üzere tüm hız aralığında iyi denetim Yüksek güç faktörü Düşük frekansta harmonik problemi yok Çoklu motor operasyonuna uygun Çıkış gerilimi = hat gerilimi Arıza halinde devre dışı bırakılabilir. Dezavantajları: • • Yüksek frekanslarda harmonik, motorda gürültüye yol açar. Yüksek anahtarlama frekansı güvenilirliği etkileyebilir. Altı Adımlı Gerilim Kaynak Evirgeç Avantajları: • Yüksek verim • Çoklu motor operasyonu • Arıza halinde devre dışı bırakılabilir Dezavantajları: • Düşük güç faktörü • Düşük frekanslarda kesikli tork • Düşük hız performansı zayıf 433 Altı Adımlı Akım Kaynak Evirgeç Avantajları: • Elektriksel olarak sağlam • Basit devre • Islah edici frenleme • Başarısızlık halinde devre dışı bırakılabilir Dezavantajları: • Düşük hızda tork • Düşük başlama torku • Düşük güç faktörü • Çoklu operasyon zor • Yavaş tepki • Gerilim tepe noktasından kaçınmak için motor ve sürücünün dikkatli eşlendirilmesi zorunluluğu Değişken Hızlı Motorlar: • İki Hızlı AC Motorlar • AC 3 Fazlı Komütatör Motorlar • Modifiye Edilmiş Asenkron Motorlar • Son Teknoloji AC Anahtarlanmış Manyetik Motor ve Sürücüler • DC Motor ve Sürücü Sistemler Elektromekanik Sürücüler • Mekanik Hız Değiştiriciler • Hidrolik Kaplin • Eddy Akımlı Bağlantılar 4. SONUÇ Dünya nüfusunun hızla artması, buna bağlı olarak enerji yoğun sanayilerin gelişmesi, enerjiye olan ihtiyacı hızla arttırmaktadır. Dünya yüzünde mevcut enerji kaynaklarının sınırlı olması, enerji fiyatlarının hızla artması, aşırı enerji kullanımının getirdiği çevre kirliliği gibi nedenlerle, mevcut enerjinin yerinde ve yeterince kullanılması, israf edilmemesi gerekmektedir. Bu durumda, her kademedeki enerji ile aynı işi yapmak için çaba harcanmalı, enerjiyi daha akılcı kullanmanın yolları her şart ve durumda etüd edilerek, her birim enerji gerekli olan yerde kullanılmalıdır. Enerji tüketiminden tasarruf yaparak milli ekonomimize sağlanacak yararın yanında, sanayi işletmelerinin bir çoğunda enerji, 434 giderlerinin, toplam giderler içerisinde önemli bir paya sahip olması sebebiyle, işletmelerin sağlayacağı kazançlar da büyük olacaktır. Bu kazanç, birim üretim maliyetini düşüreceği için, malın iç ve dış şansını da arttıracaktır. Enerji tasarrufu çalışmaları denilince, enerjinin en çok tüketildiği sanayi kolları öncelikle akla gelmektedir. Enerji tasarrufu çalışmaları, sanayi kuruluşlarına göre farklılıklar gösterse de, temelde, enerji tüketiminin yoğun olduğu alanlarda yapılmalıdır. Bu alanlar içinde önemli bir pay da elektrik enerjisine aittir. Elektrik enerjisinin maliyetinin diğer enerji türlerine göre yüksek olması, tasarruf oranının küçük olduğu durumlarda bile tasarruf maliyetinin bütçe içinde önemli bir paya sahip olmasını sağlar. Bu nedenle elektrik enerjisinde uygulanacak bir tasarruf programı, toplam maliyette önemli bir iyileşmeye yol açacaktır. Elektrik enerjisini etkin kullanım konusunda, elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve dağıtımı dahil, pek çok alanda iyileştirme ve tasarruf çalışmaları yapılmalıdır. Dünya elektrik enerjisinin 2/3’ ünü elektrik motorlarının tükettiği gerçeği; elektrik motorlarında yapılacak olan verimlilik artışı, enerjiyi daha etkin kullanım gibi tasarrufa yönelik çalışmaları bir zorunluluk haline getirmiştir. Elektrik motorlarında enerji tasarrufu imkanları içinde öncelikle yapılması gereken çalışmalar; motor seçiminin ihtiyacı karşılayacak büyüklükte ve amaca uygun yapılması, tam yükle çalışmalarının sağlanması, bakımının iyi ve zamanında yapılması, iyi soğutulması, voltajına dikkat edilmesi gibi çalışmalardır. Ayrıca bu konuda gelişmekte olan teknoloji takip edilmeli, verimlilik artışı sağlanmış olan motor tiplerinin geri ödeme süresi belirlenerek, gerekirse, eski tip motorların, bu yeni tip motorlarla değiştirilmesi yoluna gidilmelidir. Özetle şunu diyebiliriz ki; elektrik tesislerinin güç ihtiyacı belirlendikten sonra , bir rasyonalizasyon çalışması olarak, motorların tiplerinin düzene sokulması ve güçlerinin normlaştırılması gerekmektedir. 435 24. SÜRÜCÜ SİSTEMLER SÜRÜCÜLERE GİRİŞ Elektrik motorları endüstride tahrik amacıyla yaygın olarak kullanılır.Yüke direk olarak bağlanabildikleri gibi redüktör üzerindende bağlanabilir.Motor, hız-moment özeğrisinin yük, hız-moment özeğrisi ile kesiştiği noktada kararlı olarak çalışır.Eğer yükün gerektirdiği moment değişirse, özeğri üzerinde başka bir çalışma noktasına geçilir. Temel Kavramlar Temel Hız: Motorun anma hızıdır.Bu hızın altında veya üstünde bir hızda çalışmak mümkündür.Asenkron motorda 50 Hz'lik anma besleme gerilimi altındaki hızdır.Doğru akım motorlarında ise anma stator geriliminde ve alan akımının anma değerinde ortaya çıkan hızdır. Alan zayıflatması: Bir doğru akım motorunda, uyarma akımının azaltılması ile temel hızın üzerine çıkılması işlemine alan zayıflatması adı verilir. Adım adım çalışma (jogging): Özellikle kağıt sanayiinde,tekstil sanayiinde ve demir-çelik sanayiinde tahrik sisteminin denetimli olarak,yavaş ve kısa süreli hareketlerle çalışması istenir.Bu tür çalışmaya adım-adım çalışma adı verilir. İvme denetimi: Tahrik sistemlerinde, başlangıçtan anma hızına ulaşılıncaya kadar sistemin mekanik ve elektriksel açıdan zorlanmaması gerekir. Bir akım denetleyicisi ile hızlanma oranı (ivme) denetlenmelidir.Bunun için bir akım denetleyicisi ile akım sınırlanmalıdır. Yada bir yumuşak başlatma (soft-start) devresi ile referans değerindeki ani değişmeler bir rampa şekline sokulmalıdır.En yüksek moment değeri akım sınırlaması ile;hızlanma süreside yumuşak başlatma devresi ile denetlenir. Rejenerasyon: Tahrik sistemlerinde,bir frenleme sırasında motor hareket enerjisinin kaynağa geri verilmesidir. 436 Kayma (s): Rotor hızı ile stator döner alanı arasındaki hız farkının bir göstergesidir. Endüstride en yaygın olarak karşılaşılan yük türleri Sanayide kullanılan makinelerin yük-moment özeğrileri ve örnekleri yaklaşık geçerli olmak üzere aşağıdaki gibidir. a)Sabit güç gerektiren yükler: Hız arttıkça yük momenti, hız ve moment çarpımı sabit kalacak şekilde azalır.Elektrikli trenler,vinçler,bobin sarıcıları buna örnektir.Kağıt,saç,tel,iplik gibi ürünler sabit V hızında ve F çekme kuvvetinde üretilir.Bobin halinde sararken üst üste gelme sebebiyle çap D giderek büyür.Doğrusal hız V'yi sabit tutmak için devir hızı n'yi azaltmak gerekir.Bu durumda yük döndürme momenti ML, devir hızına ters orantılı olarak hiperbol şeklinde değişir ve zamana göre artar. V = Π D n PL= F.V = 2 Π n ML = sabit n= V Π.D ML = V .F ~ n-1 2Πn Devir hızının maximum ve minimum değerini, bobinin en küçük ve en büyük çapı belirler.Aynı şekilde teyp sarımında,sabit kesme kuvveti ve hızı ile dönen parçalardan talaş kaldırmada moment,devir hızına ters orantılı değişir. b)Sabit moment gerektiren yükler: Hızla orantılı olarak yükün gerektirdiği güç artar.Taş öğütme makinaları,taşıyıcı sürücü sistemleri, kaldırma makineleri,sabit kalan basınca karşı çalışan pistonlu pompalar ve sıkıştırıcılar,talaşlı takım tezgahları (torna,matkap),değirmenler,haddeler 437 kağıt makinaları gibi. Kaldırma, biçim verme ve özellikle sürtünme işi yapılan iş makinelerinde yük momenti sabittir ve devir hızına bağlı değildir. Örnek: Bir asansörde kaldırılan kütle m,halat sarma yarıçapı r olsun.Yük momenti ML=m.g.r = sabit olur.F sabit kesme kuvvetinde çalışan ve ilerlemesi kesme hızına orantılı olan bir talaş kaldırma tezgahında da yük momenti sabittir. ML = F .V =sabit 2Πn PL=ML.2Πn ~n c)Yük momentinin hıza orantılı değiştiği sistemler: Uyarma akımı sabit olan ve sabit bir dirençle yüklenen doğru akım generatörlerinin momenti devir sayısına orantılıdır. Hızla orantılı sürtünmeye sahip iş makinelerinde (kalender gibi) moment devir sayısıyla orantılıdır. d)Hız ayarı gerektiren yükler: Fanlar,havalandırıcılar,merkezkaçpompalar,sıkıştırıcılar,pervaneler,karıştırıcılar,savur ucular gibi hava veya sıvı direncini yenerek çalışan ve savurma etkisi yapan sistemlerdir.Moment devir hızının karesine orantılıdır.Otomobillerde,hava direncide hızın karesiyle değişir. Motorların Çalışma Şekilleri 1. Daimi (sürekli) çalışma. 2. Kısa Zamanlı Çalışma. 3. Kesintili Çalışma. Eğer elektrik motoru ile bir yük tahrikinde,sabit bir güce ihtiyaç varsa,motor sabit olarak yükleniyorsa,motor için hiçbir güçlük yoktur. Yükün hızı,dolayısıyla motorun devir sayısı göz önüne alınır. P [kW] = Μ.ω = M.2 Π. n 1 . 60 1000 M [nt.m] , n[mın-1] ifadesiyle gücü bulunabilir. Bir motor sürekli işletmede çalışmıyorsa motor gücü öngörülen yükleme biçimine göre seçilir.Bu amaçla,döndürme momentinin veya gücün etken değeri kullanılır.Hesaplamada momentin karesi kullanıldığından,negatif momentlerde pozitif olarak gösterilebilir.Belirli zaman aralıklarında yük momenti yaklaşık sabit kalıyorsa momentin karesel ortalama değeri olan Meff kolayca hesaplanabilir. 438 M eff = = 1 ts 2 ∫ M .dt ts 0 M12 .t1 + M 22 .t 2 + M 32 .t3 + .......... ts tb = t1 + t2 + t3 +………… tb ts Burada tb işletme süresi,tp yük momentinin sıfır olduğu ölü süre veya dinlenme süresi,ts,peryot süresi ve tr bağıl işletme süresidir. Yük momenti, bazı aralıklarda eğimli olarak değişirse, integral alınarak şu formül elde edilir. t t M 12 .t 1 + M 22 + M 2 . M 3 + M 32 . 2 + M 42 . 3 3 3 M eff = ts tr = ts = tb + tp ( ) Momentin değişim biçimine göre her bir zaman aralığında formülün uyan kısmı uygulanmalıdır. Momentin efektif değeri ve anma hızı kullanılarak motor sürekli gücü hesaplanabilir. Ancak motor kayıpları akımın karesine ve akım döndürme momentine orantılı olmalıdır. 439 P = n . M eff 9550 P[kW], n [mın-1], Meff[Nt.m] Seçilen motorun en büyük momenti,yük momentinin işletmede karşılaşılan bütün değerlerinden büyük olmalıdır.Bu koşul gerçekleşmediğinde,bu koşula uygun daha büyük güçlü bir motor alınır.Elektriksel frenleme momentleri,karesel etkilediklerinden (negatif olmalarına rağmen) pozitif momentler gibi motoru büyütürler. Yük değişimlerinde,motor hızı yaklaşık sabit kalıyorsa, efektif motor gücü hesaplanması daha basit olur.Efektif moment formülünde,moment yerine güç kullanılır. Boşta direnç momenti ihmal edildiğinde,motor Mn anma döndürme momentiyle,yüksüz olarak n0 boşta hızında döndürülsün.Tahrik kesildiğinde,motor kendi ataletiyle döneceğinden,durma zamanı ölçülerek, motor atalet momenti hesaplanabilir. Jm = t durma . 60 . M 2 .Π .n n [kg .m ] 2 Sürücü Seçiminde Dikkat Edilecek Noktalar 1) Dört bölgedede çalışma sağlanabilmesi için, sürücü motorun çektiği akımı ve gerilimi (+) ve (-) değerlerini sağlayabilmelidir. 440 2) Ani hızlanma ve ani yavaşlama durumlarında, sürücü çekilen akımı müsade edilen sınırlar içinde tutabilmelidir. Buna akım kontrol konumu denir. Ani hızlanmada çekilen akım anma akımının birkaç katıdır. 3)Yük çeşidine bağlı olmaksızın, doğru pozisyon kontrolü için, sürücü çıkış gerilimi, giriş gerilimi ile lineer olarak değişmelidir. 4) Sürücü, şekil faktörü 1'e yakın rotor akımı üretmelidir. Motor hızındaki ve momentindeki dalgalanmalar en aza indirilmelidir. 5)Sürücü, giriş sinyaline hemen karşılık vermelidir. Bu sayede, istenilen kazançla ve anahtarlama kaybı olmaksızın, sürücüden istenen transfer fonksiyonu elde edilir. 441 Tahrik Motorunun Seçimi Öncelikle yükün hız-moment özeğrisi belirlenir.Mevcut güç kaynağı özellikleride dikkate alınarak uygun motor ve sürücü kombinasyonu seçilir.Sürücü sistemi ile yapılan hız denetimlerinde, herhangi bir çalışma noktasında motor hızının yük değişmelerinden etkilenmemesi istenir.Bunun sağlanması için motor moment-hız özeğrisinin mümkün olduğunca yatay olması istenir.Yük momenti tüm hız ayar noktalarında motor moment limitinden daha az olmalıdır. Aradaki fark sistemi ivmelendirmekte veya geçici hallerde kararlılığı sağlamakta kullanılabilir.Genel olarak 2 kW'a kadar olan sistemlerde bir fazlı AC kaynak gerilimi kullanılır.2-5 kW arasında üç fazlı sistem tavsiye edilir.5 kW 'ın üstündeki güçlerde üç fazlı sistem kullanılması bir zorunluluktur.Kaynak gerilimi gerekirse transformatör yardımıyla değiştirilir.DC kaynağın olmadığı endüstriyel tesislerde doğru akım AC sistemden elde edilir.Diyotlu (kontrolsuz) doğrultucuların senkron üstü frenlemeye imkan vermeyeceği onutulmamalıdır. 442 Temel olarak dört sürücü çeşidi endüstride yaygın olarak kullanılır: 1. Doğru akım motor sürücüleri. 2. Alternatif akım motor sürücüleri. 3. Senkron motor sürücüleri. 4. Step motor sürücüleri. . Sürücü sistemleri, elektrik motoru, yarı iletken teknolojisi kullanan güç dönüştürücü (converter) ve hız veya pozisyon algılayıcılarından ibarettir. Yüke uygun motor seçimi için gerekli olan parametreler yük momenti, hız aralığı, motor tahrik yönü, en düşük ve en yüksek hızdır. Yükün zamana göre hız ve konum grafikleri bilinmelidir. Bunlardan parametreler yardımıyla yük moment-zaman grafiği elde edilebilir. Motor direk olarak yükü tahrik edebilir. Bu durumda dişli mekanizması dolayısıyla oluşan kayıplar ihmal edilebilir. Önemli olan motorun gerekli hızı ve kalkış momentini sağlayabilmesidir. Sargılardaki direnç dolayısıyla oluşan ve ısı olarak açığa çıkan güç kaybı akımın karesiyle orantılıdır. Anma gücü, anma hızı, çalışma ortamı, dayanıklılık, maliyet ve yüke bağlı olarak diğer parametreler dikkate alınarak sürücü seçilir. Sürücü yapısı ve çalışma şekli türüne bağlı olarak değişir. Genellikle sürücüler gerilimi değiştirerek motorun akımını ve motorun ürettiği momenti kontrol ederler. Motorun ürettiği moment sınırı ısıl özeğriler ile belirlenir. Sürücünün akım sınırı, motordan çekilen momentin tepe değerleri ve efektif değeri dikkate alınarak seçilmelidir. Motor akımını dolayısıyla momentini kontrol etmek için, sürücü çıkış gerilimi, motorda indüklenen gerilimden büyük olmalıdır. Motorda indüklenen gerilim, motor hızıyla doğru orantılı olarak artar. Bu esnada motor hava aralığında akı sabittir. Bu sebeple sürücünün gerilimi (hava aralığındaki akı sabit olmak koşuluyla) motorun en yüksek hızına bağlıdır. Sürücü çıkışındaki akımdaki dalgalanmalar tetikleme frekansının artırılmasıyla azaltılabilir. Ancak sürücü anahtarlama kayıpları, tetikleme frekansının artmasıyla doğru orantılı olarak artar. Hız ve pozisyon sensörlerinin seçiminde dikkat edilecek 443 hususlar şunlardır: Direk veya indirek bağlantı, sensör atalet momenti, burkulma rezonansı olasılığı ve önlenmesi, maximum hız değeri. DC Motor Sürücüleri Doğru akım motorunun hız kontrol parametresi olan rotor akısı iki şekilde üretilir: 1. Sabit mıknatıslarca sabit değerde. 2. Uyarma sargısı tarafından elde edilir. Uyarma akımı ile değeri değiştirilebilir. Doğru akım motorlarında hız değeri statora uygulanan gerilimin değiştirilmesi ile yapılır.Stator gerilimi arttıkça hızda artar.Buna karşın uyarma akımının değiştirilmesi hızı ters yönde etkiler.Genellikle,anma hızının altındaki değerlerde stator gerilimi değiştirilerek hız ayarı yapılır.Anma hızının üstündeki değerlerde alan zayıflatması yapılır.Mekaniksel ve elektriksel dayanımlar çalışılabilecek en yüksek hızı belirler.Savrulma kuvvetleri mekaniki sınırları belirler.Komütasyon problemi elektriksel sınırları belirler.Özellikle alan akımı zayıfladıkça, komütatörlerde aktarım problemleri oluşabilir. AC motorların tersine, DC motorlarda rotor sargıları gücü endükler. 444 Elektriksel güç: Pe = ea . ia ea = ke φf ωm Mekanik güç: Pm = μ . ω Pratik uygulamada, Vt gerilimi Ia akımını elde etmek için endüvi (rotor) istasyonlarına uygulanır. Ra rotor sargı direncinde ea karşı gerilimi endüklenir. Doğru akım makinaları çok ender olarak jeneratör olarak kullanılır. Fakat, frenleme esnasında, hızları azaltılırken, jeneratör olarak çalışırlar. Frenleme esnasında manyetik akı Φ nin sabit ve motorun yükü ωm hızında sürdüğü kabul edilir. Motorun hızı azalırken şebeke gerilimi Vt, indüklenen gerilim ea 'nın altına düştüğünde , akım Ia yön değiştirir. DC motor, jeneratör olarak çalışmaya başlar. Motor yavaşladıkça, zıt endüklenen gerilim azalır. Eğer uygulanan şebeke gerilimi yön değiştirirse motorun devir yönü değişir. DC motorun momenti, armatür akımı değiştirilerek ve manyetik alanı oluşturan akım sabit tutularak kolayca kontrol edilir.DC sürücülerin avantajı,kullanıcıları en çok ilgilendiren iki faktörün,hız ve momentin doğrudan armatür akımıyla kontrol edilmesidir.Bu demektirki,moment iç kontrol döngüsü,hız,dış kontrol döngüsüdür.DC sürücüler,etkili hız ve moment kontrolü sağlar,dinamik hız tepkisi yüksektir,kolayca kontrol edilir.Ancak DC motorlar düzenli bakım gerektirirler ve pahalıdırlar. Sabit mıknatıslı DC motor: Hız kontrolü, akı sabit kalmak koşuluyla, gerilim değiştirilmek suretiyle yapılır. Vt = Ea + Ra .Ia Ea = ke . ωm Serbest Uyarmalı Doğru Akım Motoru: Sabit mıknatıslı motorlar küçük ve hafif olmalarına karşın, hız sınırlaması ve düşük güç sınırı gibi sorunları vardır. Bu sınırlamalar, manyetik akının stator alan sargısı tarafından üretilmesiyle aşılabilir. DC motor kontrolünde esneklik sağlanması için, alan sargısı, motor devresinden ayrı bir Vf gerilimi ile beslenir. Uyarma devresi ayrıdır. φf akısı, If (= Vf / Rf ) akımı ile kontrol edilir. Rf alan sargısı direncidir. φf uyarma akısı kontrol edilebilir. Serbest uyarmalı doğru akım motorunda, motora uygulanan gerilim ve hava aralığındaki akı istenen moment ve hızın elde edilebilmesi için kullanılır. Genellikle, motor momentinin en yüksek değere çıkması için, φf akısı dolayısıyla uyarma akımı hız ile orantılı olarak, olması gereken değerde tutulmalıdır. Motorun moment-hız özeğrisinde, akının sabit olduğu kısımda (bu kısma sabit moment alanı denir) gerekli besleme gerilimi Vt doğrusal olarak artar. Doğru akım motorlarında dinamik frenleme Uyarma devresi açılmamak şartıyla,dönmekte olan bir doğru akım motorunun stator devresi doğru akım kaynağından ayrıldığında, motor bir jeneratör olarak çalışır.Doğru 445 akım motoru rotorunda üretilen zıt emk,stator akımının yön değiştirmesini sağlayabilirse, enerji akışı motordan kaynağa doğru olacaktır.Buna rejeneratif frenleme adı verilir.Dönmekte olan rotorun toplam kinetik enerjisi kaynağa geri aktarılmış olur (kayıplar çıktıktan sonra). Metro uygulamalarında mekanik frenleme tünel ortam ısısının yükselmesine sebep olur.Rejeneratif frenleme ile mekanik frenlemede ısı olarak kaybedilecek enerji geri kazanılır.Eğer dış etkilerle zıt emk kaynak geriliminin üzerine çıkarılırsa (örneğin yokuş aşağı giden bir araba veya yüklü olarak aşağıya inen asansör) bu durumda akım dolayısıylada enerji yönü motordan kaynağa doğrudur.Doğru akım seri motorlarda rejeneratif frenlemede, zıt emk'nın yönünü değiştirmek için stator devresinin uçları değiştirilirken alan akımının yönüde değiştirilmelidir. Sürücü Çeşitleri Yarı iletken teknolojisi kullanan motor sürücüleri sanayinin pek çok dalında, çok değişik güç mertebelerinde kullanılmaktadır.Sürücünün temel görevleri hız ve pozisyon kontrolü yapmaktır. Sürücü sistemi arabirim olarak şebeke ve motor arasına bağlanır. Besleme gerilimi, hız ile doğru orantılı olarak sıfırdan istenen değere doğru orantılı olarak artar. Motor anma hızının üstünde bir hıza erişilmek istenirse, uygulanan gerilim sabit tutulur. Uyarma akısı, uyarma akımı düşürülmek suretiyle azaltılır. Motor besleme akımı anma akımının üzerine çıkamayacağı için, akı azalacağından momentte azalır. Buna alan zayıflatması denir. Motor anma gücünün (Ea .Ia) üstüne 446 çıkılmaz. Bu tür çalışmada güç sabittir. Moment, hız ile birlikte azalır. Motora uygulanan gerilim, zıt emk ve motorun çektiği akım sabit kalır. Motor özelliklerine bağlı olarak, alan zayıflatması bölgesinde hız, anma değerinin %50'si ile %100'ü arasında bir değer alır. Moment Dalgalanmaları ve Şekil Faktörü: DC motorlarda, rotor akımı şekil faktörü doğru akımdan sapmayı gösterir. I a (rms) I a (average) eşitliği ile ifade edilir. Şekil faktörü yükseldikçe, motor kayıplarıda artacaktır. Buda motor veriminin düşmesine yol açar. Motor momenti, rotor akımıyla orantılıdır. Eğer atalet momenti yeterince büyük değilse, akımdaki dalgalanmalar momentte ve hızda dalgalanmalara yol açar. Bu sebeple önemlidirler. Yüksek frekanslı bozucu dalgalanmalar düşük frekanslılara göre daha az hız değişimine yol açar.Serbest uyarmalı DC motorlarda, uyarma akısı azaltılarak motor anma hızının üzerine çıkılabilir. Uyarma akımı kontrol edilerek, akı değiştirilebilir. DC motorlarda, uyarma akımı statora yerleştirilen sabit mıknatıslarla veya DC akımla beslenen alan sargısından elde edilir. Motor momenti, uyarma akısı ve rotor akımı ile doğru orantılıdır. Buda servo-sürücü uygulamalarında büyük kolaylık sağlar. Rotorda indüklenen zıt emk uyarma akımı değerine ve rotorun dönme hızına bağlıdır. DC motorun rotor akımının, efektif değerinin ortalama değerine oranı şekil faktörü olarak tanımlanır. Harmonikli, yüksek şekil faktörlü rotor akımı, rotorda ısınmaya, fırçalarda kıvılcımlara ve motor momentinde vuruntuya yol açar. AC Motor Sürücüleri Alternatif akım motorları ucuz ve sağlam olmaları dolayısıyla sanayide geniş ölçüde kullanılırlar. Proses kontrolunda, fan, pompa, kompresör v.b. sistemlerin tahrikinde yaygın olarak kullanılırlar. Robotlar, bilgisayar kontrollü sistemler gibi çok hassas kontrol gerektiren yerlerde de servo sürücüler kullanılır. Alternatif akım motorlarında moment biri stator diğeride rotor üzerinde oluşan iki elektrik alanın etkileşimi ile ortaya çıkar.Senkron makinalarda rotor sargısı doğru akım ile beslenir.Oluşan manyetik alan hareketsizdir.Rotor döner alanla eşzamanlı bir şekilde döner.Dolayısıyla iki alanın hava aralığında eş zamanlı bir durumda olduğu için döndürme momenti oluşur.Döner alan hızı (senkron hız) şebeke frekansına bağlıdır. Kısa devre rotorlu asenkron motorlarda, dönen stator alanı ile kısa devre edilmiş rotor sargıları arasında kayma adı verilen bağıl hız farkı vardır.Stator alanı bağıl hıza orantılı bir frekansta akımların endüklenmesine sebep olur. Rotor akımının frekansı f2 = s.f1 eşitliği ile belirlenir.Hava aralığında oluşan manyetik akı, şebeke frekansı ve gerilimine bağlıdır.Stator kaçak empedansı ihmal edilecek olursa endüklenen gerilim,statora uygulanan gerilime yaklaşık olarak eşit olur.Manyetik devrenin en iyi 447 şekilde kullanılabilmesi için doyumun biraz altında çalışması gerekir.Bunu sağlayabilmek için stator geriliminin, frekansına oranının sabit tutulması gerekir.Stator gerilimi sabit tutulup frekans düşürülürse,manyetik devrenin doyuma girmesi sonucu stator akımı yüksek değerlere ulaşır.Stator frekansı anma değerinin çok altına düşürüldüğünde stator direnci dolayısıyla anma momentinde önemli bir düşme görülür. Düşük frekanslarda kalkış momenti yüksek değerler alır.Genelde sürücülerde izlenen yöntem,anma frekansına kadar u oranı sabit kalacak şekilde frekans f değiştirilerek hız kontrolü yapılır.Senkron hızın üstündeki hızlarda ise stator gerilimi sabit tutulur.Fakat akı zayıflatılır.Düşük frekanslarda kalkış için gerekliyüksek moment,düşük akım sağlanır.Asenkron motor direk olarak şebekeye bağlandığı zaman kalkış anında anma akımının 6-8 kat daha büyük bir kalkış akımı çekmektedir.Frekans denetimi ile akının değerini düşürmeden motora düşük bir gerilim uygulanır.Asenkron motorda hız kontrol yöntemleri: • U/f oranı sabit kalacak şekilde stator frekansı değiştirilir. • Rotor üzerindeki kayıplar dolayısıyla da kaymayı değiştirerek. • Kaynak frekansı sabit kalıp,gerilimi değiştirmek. Stator gerilimini değiştiren sürücüler genellikle kapalı çevrim denetimi ile çalışırlar.Motor hızı bir enkoder üzerinden ölçülür.Referans hızdan olan ayrılığa göre tristör tetiklemeleri geciktirilir veya öne alınır. Özellikle fan ve pompa sistemlerinde çalışma şartlarına bağlı olarak akışkan debisinin ayarlanması çok önemlidir.Fanlar emniyet açısından değerinden büyük seçildiği taktirde düşük verim ile çalışmaktadırlar.Tasarlanan debinin altında çalıştıklarından enerji kaybına sebep olurlar.Klape veya vana ile devir hızını değiştirmeden yapılan kontrollerde,fan daha düşük bir verim ile çalışmaya zorlanır.Debi,akışı engellenerek kontrol edilmeye çalışılır.Sürtünme nedeniyle önemli miktarda enerji kaybolur.Sürücü sistemi ile fan devri yüke göre ayarlandığında enerji tasarrufu sağlanır.Akışkan direncini yenerek çalışan sistemlerde: • Akış,devir sayısı ile orantılıdır. • Basınç (veye moment) devir sayısının karesi ile orantılıdır. • Güç devir sayısının küpü ile değişir. Dolayısıyla, debi yarıya düştüğünde moment (1/4)'üne, güç (1/8)'e düşer. 448 Aşağıdaki şekilde eksenel fan ve radyal fan sırasıyla görülmektedir. Akışkan direncini yenerek çalışan sistemlerde: Moment = k . (hız)2 Güç = k . (hız)3 449 Dolayısıyla klape valf yerine, sürücü kullanılarak yapılan hız ayarı ile büyük ölçüde enerji tasarrufu sağlanabilir. Üç fazlı dengeli alternatif akım statora uygulandığında hava aralığında B akı yoğunluğu oluşur. Akı yoğunluğunun genliği sabittir. Senkron hız ile döner. Senkron hız, p çift kutup sayısına ve f besleme (şebeke) frekansına bağlıdır. p.n f = [Hz] 60 Hava aralığında endüklenen gerilim: eairgap= Ns . ω. φag. ω.t volt Alternatif akım motorunda moment, hava aralığı akısı ile rotor akımlarının birbirine etkimesi sonucunda oluşur. Eğer rotor senkron hızda dönerse, hava aralığı akısı rotorda gerilim endüklemez. Bu sebeple rotor hızı stator hızını belli bir kaymayla takip eder. 450 451 Kayma: s= ω senkron − ω rotor ω senkron Senkron hız, uygulanan şebeke frekansına bağlı olarak değişir.Çok küçük şebeke frekansları hariç, düşük kayma ile çalışan motorlarda, motor hızı uygulanan gerilim frekansı ile lineer olarak değişir.Motor hızı sadece uygulanan şebeke frekansının değiştirilmesi ile sağlıklı olarak kontrol edilir. u oranı sabit tutulmak suretiyle hava f aralığı akısı sabit tutulmalıdır.Frekans değiştirmek suretiyle yapılan hız ayarlarında senkron hızın üzerine çıkmak mümkündür. Anma hızının altındaki bölgede u oranı f sabit tutularak akı sabit tutulur. Statora uygulanan gerilim, frekansla orantılı olarak düşürülür. φag sabit ttulmak koşuluyla, motor anma momentini anma akımında sağlar.Bu sebeple bu çalışma bölgesine sabit moment bölgesi denir. 452 Stator frekansını, anma değerinin üzerine çıkararak, motor hızını senkron hızın üzerine çıkarmak mümkündür. Alternatif akım sürücülerinde genellikle anma gerilim değerinin üstüne çıkılmaz. Gerilim sabit tutularak, frekans artırılır. u oranını sabit f tutmak için hava aralığı akısı azaltılır.Bu çalışma aralığında güç sabittir. Bu yüzden sabit güç çalışma aralığı denilir. Frekans değiştirerek hız kontrolü yapan sürücülerin özellikleri şunlardır. 1. Frekansı istenilen değere ayarlayarak istenilen çıkış hızını sağlayabilmelidir. 2. Gerilimi istenilen değere getirerek, hava aralığı akısını sabit moment bölgesinde tutmalıdır. 3. Anma akımını değişen frekanslara bağımlı olmaksızın sağlayabilmelidir. Düşük hızlarda, statora uygulanan gerilimi değiştirerek yapılan hız kontrollerinde verim, çok düşüktür. Bunun sebebi yüksek kayma dolayısıyla oluşan büyük rotor kayıplarıdır. DC sürücünün aksine,AC sürücüsü frekans kontrol tekniği,gerilim ve frekans gibi motor dışında oluşturulan etkili değişkenler kullanılır.Gerilim önce doğrultulur sonra darbe genlik modülasyonu ile motorun statoruna verilir.Sistem açık döngülü ise maliyeti düşüktür, moment kontrol edilemez. PWM ile akı vektör kontrolü: AC motorda alan kontrolünün sağlanması için,akı vektör sürücüsünün AC endüksiyon motorundaki,rotor akısının açısal durumunu bilmesi gerekir.Akı vektörü alan yönlenmesi,PWM sürücüleri ile sağlanır.Stator alan hızına yakın,rotor akısı hızı ve açısal durumu,bir enkoder ile kapalı döngü oluşturacak şekilde düzenlenir.Moment dolaylı olarak kontrol edilir.Vektör kontrolü,yüksek 453 moment tepkisi,etkili hızı kontrolü,sıfır hızda tam moment ve DC sürücüsüne yakın performans sağlar.Ancak karmaşık ve pahalı bir düzenektir. Doğrudan moment kontrolü: Motor milinin hız ve durumunu tespit edip saklayacak bir takometre veya enkoder'e gerek yoktur.Motor verileri,momenti doğrudan kontrol etmede kullanılır.Dinamik performans hızlıdır.Direk moment kontrolünde doğrudan rotorun elektromanyetik durumu kullanılır.Moment ve akı doğrudan kontrol edilen motor verileri olduğu için PWM (darbe genlik modülasyonu) sürücülerinde olduğu gibi frekans ve gerilim kontrolünde modülatöre ihtiyaç yoktur.Tam moment kontrolü sağlanır.Hızlı moment tepkisi,düşük frekanslarda moment kontrolü sağlar.Ani bir yük değişimi sonrasında,motor,çok kısa zamanda kararlı duruma dönebilir.Direk moment kontrolünün,enerji etkinliğini sağlayan özelliği,motor akı düzenlemesidir.Bu özellik ile,pompa ve fan uygulamalarında sürücünün etkinliği artırılmıştır.PWM ile çalışan sürücülere göre gürültü son derece azalmıştır. Akım ara devreli evirici Ara devre endüktansı akımın sabit kalmasını sağlar. Güç, ara devre geriliminin dolayısıylada çıkış geriliminin değiştirilmesi ile değiştirilir.Çıkış gerilimi sinüzoidaldir dv sorunu yoktur.Giriş geriliminin iyi süzülmüş olmasına gerek yoktur.Evirici dt di akımı kare dalga şeklindedir.Bu sebeple sorununa dikkat edilmelidir.Hızlı frekans dt ve değişikliklerinde evirici içinde bir kısa devre olabilir. Gerilim ara devreli evirici Ara devre gerilimi,ara devredeki kapasite ile sabit tutulur.Ara devre çıkış gerilimi kare dalga,evirici akımı ise sinüzoidaldir.Çalışma frekansının, rezonans frekansına oranı çıkış geriliminin büyüklüğünü belirler.Çalışma frekansındaki küçük bir değişme bobin geriliminde bir değişikliğe sebep olur.Bu değişiklik bobin akım ve gücünde bir değişikliğe sebep olabilir.Bu sebeple doğrultucu devrenin denetimli olması gerekmez.Çıkış akımı sinüzoidaldir. di sorunu yoktur.Evirici yüksek frekanslarda dt çalıştırılabilir.Bu sebeple tristörler yerine onlara göre daha hızlı olan ters geçirgen asimetrik tristörler kullanılabilir.Bobin gerilimi yüksektir.Bu sebeple yüksek gerilimli aktarım kapasitelerine gerek vardır.Bobin gerilimi kare olduğundan 454 dv sorununu dt ortadan kaldıracak "snubber" devrelerinin büyük olması gerekmektedir.Ara devre geriliminin düzgün olmasını sağlamak için ara devre kapasiteleri büyük seçilmelidir. Yumuşak yol vericiler (soft starters) "Yumuşak kalkış" alternatif akım motorlarında başlangıçta gerilimin düşürülmesidir.Başlangıçta gerilimin düşürülmesiyle, motorun kalkış anında çektiği akımlar düşürülebilir.Normalde alternatif akım motorları kalkış anında, anma akımının 6-8 katı kadar akım çeker.Bu akımı azaltmak için gerilim düşürülür.Gerilim düşümünde elde edilen moment yükü tahrik edecek değerde olmalıdır.Motor nominal hızına ulaştıkça, çektiği akım başlangıç değerinden çalışma değerine ulaşır.Yüksüz veya düşük yüklenme durumlarında, motorlar gereğinden fazla enerji kullanır.Yumuşak yol verici ile motor gerilim değeri,yük için uygun değere getirilir.Bu şekilde güç faktörü ve verimlilik artırılır.güç sarfiyatı azaltılır. Alternatif akım motor sürücüleri, enerji verimliliğini artırmak için endüstride pek çok yerde kullanılabilir.3 Fazlı alternatif akım motorlarında hava aralığındaki akı sinüzoidaldir.Akı senkron hızda döner.Senkron hız, frekansa ve p çift kutup sayısına bağlıdır.Motorun hızı, statora uygulanan gerilimin frekansı değiştirilerek kontrol edilir.Hava aralığı akısı u oranı sabit tutulmak koşuluyla aynı kalır.Bu sayede f alternatif akım motoru anma momentinde ve anma hızında çalışır.Senkron hızın üzerinde, motordan anma momenti çekilmez.. 455 Çeşitli AC ve DC motor kontrol yöntemlerinin karşılaştırılması. Senkron Motor Sürücüleri Senkron motorlarda, manyetik akı rotor tarafından üretilir.Akı, sabit mıknatıslarca veya doğru akımla beslenen uyarma sargısı tarafından üretilir.Bu özellikleri sayesinde aynı güçteki senkron motorların,asenkron motorlara göre verimi daha yüksektir.Küçük güçlerde sabit mıknatıslı motorlar, büyük güçlerde uyarma sargısı olan motorlar tercih edilir. Senkron sürücüler ikiye ayrılır: 1) Hassas servo sürücüler: Robotlarda ve bilgisayar donanımlarında kullanılırlar. 2) Hız kontrol sürücüleri:Ortamın ihtiyacına göre çalışan havalandırmalarda ve ısı pompalarında kullanılırlar. Servo sürücülerle kullanılan senkron motorlar ikiye ayrılır: 1) Sinüs dalga şekilli motorlar. 2) Trapez dalga şekilli motorlar. Sinüs dalga şekilli senkron motor sürücülerinde, θ rotor pozisyonu,başlangıç noktasına göre mutlak pozisyon enkoderi ile ölçülür.Ia,Ib,Ic stator akımları ölçülen θ değerine göre hesaplanır.Gerekli döndürme momenti sağlayacak akım değeri belirlenir. Trapez dalga şekilli senkron motor sürücüleri,servo ve ayarlanabilir hız uygulamalarının her ikisinde de kullanılır.efa , a fazında endüklenen emk trapez dalga formundadır.Dalga şekli düzdür ve 120o boyunca devam eder.Stator akım dalga şekli dikdörtgene yakın sinüzoidaldir.Stator akımları,dikdörtgen formdadır.Bu sebeple (onoff) iletim kesim konumları rotorun pozisyonuna göre belirlenir.Düşük hızlarda ve yüksek güçlerde (çimento fırınları gibi) frekans dönüştürücüler kullanılır. Adım Motor Sürücüleri 456 Servo motor uygulamalarında, motorun geri besleme olarak aldığı hız ve pozisyon sinyallerine cevap verme süresi ve doğruluğu çok önemlidir. Diğer sistemlerde hız ayarı için gerekli olan cevap verme doğruluğu ve zamanı servo sistemlerdeki kadar önemli değildir Adım motorları pozisyon kontrolü amacıyla,bilgisayar ekipmanlarında,entegre devre imalat sektöründe ve robotlarda yaygın olarak kullanılır.Adım motorlar dijital elektromekanik cihazlardır.Her elektrik darbe giriş sinyali rotoru belli bir miktar döndürür.Bu döndürme miktarına motorun adım açısı denir.Bu sebeple adım motoru geri beslemeye ihtiyaç olmadan pozisyon kontrolü amacıyla kullanılır.Adım motoru aldığı elektrik sinyal sayısınca döner. Sabit mıknatıslı adım motorları: Tem döndürme momenti, stator ve manyetik akılarının etkileşimi sonucunda meydana gelir.Atalet momentinin, momente oranı yüksektir.Küçük adım açılı motorların üretimi zordur. Adım motorunun moment kabiliyetini artırmak için,sürücü devresi açık kapalı anahtarlama şeklinde çalışır.Anahtarlamada çok kısa sürede istenen değere ulaşmalı,sonra çok kısa sürede sıfıra dönülmelidir. Değişken manyetik akılı adım motorlarında,akımların işaret değiştirmesine gerek yoktur.Pozitif Vd gerilimi ile beslemek yeterlidir.Sabit mıknatıslı adım motorlarında ve hibrit motorlarda ise doğru akım kutup değiştirecek şekilde ayarlanmalıdır. (+),(-) Vd gerilimi uygulayacak sürücü gereklidir. Her darbe şeklindeki elektrik giriş sinyali çıkışta rotoru adım açısı kadar döndürür.Bu sayede geri beslemeye gerek olmadan, sadece giriş darbe sinyalleri oranında rotor konum değiştirir.En çok kullanılan adım motoru çeşitleri şunlardır: • Sabit mıknatıslı adım motoru. • Değişken akılı adım motoru. • Hibrit step motorları. Değişken akılı adım motorlarında motora giriş sinyali geldiğinde,döndürme momenti,manyetik devre akısı direncini azaltacak yönde oluşur.Manyetik akı direncinin oluşturduğu moment,faz akımının karesine bağlıdır.Faz akımının yönü önemli değildir. Adım açısı = 360 derecedir. q.N r Nr :Rotor kutuplarının sayısıdır. q: tek seviyeli motorlarda faz sayısı,çok seviyeli motorlarda seviye sayısını gösterir. Sabit mıknatıslı motorlarda, mıknatıslar rotordadır.Moment büyüklüğü faz akımına bağlıdır.Akım iki yöndede (+),(-) akabilmelidir.Hibrit motor,sabit mıknatıslı motorla,değişken akılı motorun çalışma özelliklerini taşır.Moment değeri faz 457 akımının büyüklüğüne bağlıdır.Faz akımı yönü değişken olmalıdır.İki fazlı hibrit motorda,adım açısı = 90 derecedir. Nr rotor kutup sayısıdır. Nr Tek faz ve iki faz olmak üzere,iki faz uyartım metodu vardır.Bu sayede rotor,uyartımdaki her değişimden sonra bir adım yol alır.İki fazlı uyartımda,her iki faz aynı anda uyarılır.Elektromanyetik vuruntu azalır.Tek fazlı ve iki fazlı uyartımlar arasında yapılan anahtarlamalarla yarım adım modunda çalışmak mümkündür.Faz akımının çok hassas kontrolü ile rotordan çok küçük hareketler elde etmek mümkündür.Buna mikro-adım çalışma denilir. Sürücü sistemleri ile verimlilik artırılması Elektrik üretiminin çevresel etkileri çok önemlidir.Çünkü üretilen enerjinin %70'i yenilenemeyen enerji kaynaklarından üretilir.(petrol,kömür,doğal gaz v.b.) AC ve DC sürücülerin temel görevi proses verimliliğini artırarak enerji tasarrufu sağlamaktır.Özellikle pompa ve fanlarda,hız kontrolü ile daha iyi proses kontrolü sağlanabilir.Verimlilik artırılabilir.Elektrik motor ve sürücülerinin temel görevi,elektrik enerjisini en verimli şekilde mekaniksel işe dönüştürmektir.Motor sürücülerinde kayıplar %2 ile %5 arasındadır.Verimlilik %95 ile %98 arasındadır.Sürücü kullanımı ile proses verimliliği artırılır.Sürücülerin tercih edilmesinin en önemli sebebi budur.Özellikle klape vana ile kontrolün yapıldığı pompa ve fanlarda, yüke uygun hız seçimi ile enerji tasarrufu sağlanır.Enerji tasarrufu,ancak hız kontrolünün gerekli olduğu yerlerde yapılabilir.Eğer proses değişken hıza gerek duymuyorsa,doğru değerde seçilmiş pompa veya fan en uygun çözümdür. Sürücü sistemi yatırımının karlılığını etkileyen faktörler şunlardır: • Değişik yüklerdeki çalışma saatleri. • Yükün değişik hızlara olan ihtiyacı. • Sürücü sisteminin maliyeti. • Elektrik enerji (kWh) maliyeti. • Sistemin teknik ve ekonomik ömrü. • Cihazın bakım (periyodik bakım) maliyetleri. • Hurda ve yeniden kullanım fiatları. Sürücüler değişken hız isteyen proseslerde verimliliği büyük ölçüde artırırlar.Ürün kalitesi artar.Ürünler arası farklılık azalır.Kalitede homojenlik sağlanır.Duruş süreleri azalır.Üretim miktarı artar.Karlılık artar. Örnek olarak AC motor ile tahrik edilen bir santrifüşlü pompa sistemini ele alalım. Motor ve pompa hemen hemen aynı hızda döner. Akışkan miktarını azaltmak istediğimizde, klape valfleri kısmen kapatılır. Bu enerji kaybına yol açar. Sürücü 458 kullanılarak, motor hızı istenen akışkan miktarını sağlayacak devir sayısına ayarlanır. Bu sayade klapeler yüzünden oluşan enerji kaybı engellenir. Pompa ve fanlarda, akışkan miktarını azaltmak için hız düşürüldüğünde motorun şebekeden çektiği güç büyük ölçüde azalır. İmalat proseslerinde sürücünün sağladığı faydalar şekildeki grafikten görülebilir.Kalkış anında sistemi elektriksel ve mekaniki açıdan zorlamamak gerekir.İmalat kapasitesinin ayarlanması için hızın yükseltilmesi veya azaltılması gerekebilir. Ürüm kalitesini artırmak ve ürünlerde homojenliği sağlamak için hassas hız ayarı grekebilir.tüm bunlar sürücü ile sağlanır. Uygulama: 75 kW gücünde havalandırıcı motoru kontrolü.Üflenen hava miktarı klapelerin açılıp kapanması ile kontrol ediliyordu.Sürücü kullanımı ile istenen akışkan miktarına uygun devir hızı sağlandı. 2)77 kW'lık fan motounda sürücü kullanımı ile %45 enerji tasarrufu sağlanmıştır.Katı atık arıtımında kullanılan bu sistemde daha iyi proses kontrolü sağlanmıştır. 3)Su pompalama istasyonunda mevcut 6 pompadan birine deneme amacıyla takılan sürücü ile %25-30 enerji tasarrufu sağlanmştır.Sistem daha iyi kontrol edilmiştir. 459 4) Plastik endüstrisinde 10 tane fan ve birkaç pompadan meydana gelen kurutma prosesi.Toplam kurulu güç 500 kW olup yıllık çalışma süresi 8000 saattir.Kurutma için gerekli hava miktarı bantın doluluğuna göre değişmektedir.Takılan sürücler 460 yardımıyla saatte üflenen hava miktarı 30000 ile 90000 m3 arasında kontrol edilmektedir.Sistem 1.5 yıl içinde kendini amorti etmiştir.Azalan kullanım süresi dolayısıyla bakım ve arıza süreleride azalmıştır. 5)Almanya Strusberg'te yedi bölgenin ısı pompa istasyonu: 1991 yılında enerji tüketimi 550,000 kWh idi.Yüksek sıvı basıncı borularda sese sebep oluyordu.Eylül 1992'de sürücülerin montajı tamamlandı.Enerji kullanımı 230,000 kWh'e geriledi.Yapılan harcamalar bir sene içinde kendini amorti etti. 6)İçme suyu istasyonunda kullanılan 5 kW'lık küçük bir pompaya takılan sürücü ile %40 enerji tasarrufu,daha az aşınma ve (arıza veya bakım kaynaklı) duruşlarda azalma sağlanmıştır. 7)İngiltere Heatrow hava alanı ısıtma ve soğutma sistemi önceleri klape valfler ile kontrol ediliyordu.Günün değişik saatlerindeki doluluk oranına bağlı olmaksızın,iki büyük havalandırıcı sürekli olarak çalışmaktaydı.Yeni tasarlanan sistemde ise havalandırıcılar sürücüler üzerinden tahrik edilmektedir.Sürücüler ortam sıcaklığı,salonun doluluğu ve hava durumunu hisseden sensörlerden gelen sinyallere göre havalandırıcıların devir hızını ayarlar.Değişen hava sıcaklığına göre %77-89 oranında enerji tasarrufu sağlanmıştır. 461 Aşağıdaki uygulamalarda sürücü kullanımı için çalışmalar yapılmaktadır: • Kurutma proseslerinde. • Soğutma sistemlerinde. • Basınçlı hava ile çalışan sistemlerde. Sürücü kullanımı ile sağlanan kazançlar: • Daha iyi proses kontrolü. • Daha az aşınma. • İmalat esnasında arıza sebebiyle daha az duruş. • İmalattaki artış. • Enerji tasarrufu. Motor nominal gücü aşılmadan,ortalama yüke göre seçilen sürücüler %50 enerji tasarrufu sağlar.Bu çözüm yeni boyutlandırılan sistemlerde kullanılır.Prosesin doğru tanımlanması ve verimli olmayan (gereksiz) yüklerin kaldırılmasıyla çok büyük enerji tasarrufu sağlanabilir.Enerji tasarrufunun temelinde uygun sürücü seçimi yatmaktadır. Endüstride kullanılan enerjinin 2 ' ü elektrik motorları tarafından tüketilir.Yapılan 3 çalışmalarla motorların ve sürücülerin verimleri çok yükseltilmiştir.Sürücü kullanarak,proses veriminin yükseltilmesi üzerinde çalışılmaktadır.Özellikle akışkan sistemlerinin kontrolünde sürücüler verimliliği artırmaktadır.Önceleri motor verimliliği yükseltilmeye çalışılmıştır.Fakat sürücü kullanarak yapılan enerji tasarrufu yüksek verimli motorlara göre çok daha fazla ve ucuzdur. Proses verimliliği ve karlılığı sürücü kullanımı ile artırılabilir. Sürücülerde yapılan son değişiklikler 462 • Yeni geliştirilen güç elektroniği elemanları ile harmonikler büyük ölçüde azaltılmıştır.Daha önceki sürücülerde düşük frekansla çalışan transistörler harmonik oluşumuna sebep oluyordu.Harmonikler,ısının yükselmesine,titreşime ve gürültülü çalışmaya sebep oluyordu. Yeni geliştirilen ve yüksek frekansla tetikleme yapan (IGBT) transistörlerde motor besleme akımı sinüs formuna çok yakındır.Anahtarlama kayıpları çok düşüktür. • Dijital teknolojinin gelişmesi ile sürücü hızı yüke en uygun şekilde ayarlanabilmektedir.Ayarlanması öncelikli parametreler şunlardır: Moment kontrolü,hız kontrolü,güç kontrolü ve pozisyon kontrolü. • Entegre devre teknolojisinin gelişmesiyle eleman sayısı azaltılmış ve terminal bağlantı sayısı azalmıştır. Daha önceleri kurulma ve kullanma zorlukları yüzünden sürücüler yaygın olarak kullanılmadı.Sürücünün beslediği motor hareket halindeyken enerji kesilebilir.Yeniden enerji gelmesi durumunda,motor dönerken,sürücü sistemi durdurmadan çalışmaya devam edebilir.Bu özelliğe "fly on start" adı verilir.Arızaların büyük bölümü gerilim düşmesi sonucu oluşur. Yeni geliştirilen kompanzasyon yönemleriyle,gerilim düşümleri kompanze edilir.Bu sayede motor duruşları mümkün olduğunca engellenir. Cihazın elektromanyetik olarak çevreyi etkilememesi önemli bir faktördür.Sürücü çalıştığı zaman çevredeki cihazlar üzerinde elektromanyetik gürültü oluşturmamalıdır.Son yapılan çalışmalarla,bu belli bir standarda bağlanmıştır. Darbe genlik modülasyonunda kullanılan anahtarlama elemanları (IGBT) gönderdikleri gerilim darbeleri ile motor sargılarında tahribata yol açabilir.Besleme geriliminin 400V olduğu şebekelerde,gerilim darbeleri 1000V'a ulaşmaz.Sargı izolasyonları etkilenmez.Sürücü ve motor arasındaki besleme kabloları mümkün olduğunca kısa olmalıdır.Bu sayede gerilim dalgalarının yansıyan dalga ile rezonansa girmesi önlenmiş olur.Eğer gerilim tepe değeri çok yükselecek olursa,izolasyon malzemesinde kısmi boşalmalar oluşabilir.Kısmi boşalmalar izolasyon malzemesinde yıpranmalara yol açar.Bu yüzden sürücü çıkışıyla motor arasında mesafe olan sistemlerde, sürücü çıkışlarına gerilim dalgalanmalarını engelleyecek gerilim filtreleri konulur.Sürücünün kullanımını kolaylaştırmak için yapısı ve ayarları mümkün olduğunca basitleştirilmiştir. IGBT (400V, 3 ~) iletim kayıpları %2, anahtarlama kayıpları %1 civarındadır.Kart ve sürücü kayıpları 10-50 W civarındadır.Toplam sürücü verimi %97 civarındadır.Motor verimliliğine göre,sürücü verimi yüksektir (özellikle küçük güçlerde). Sürücü kullanılarak motorun şebekeden çektiği güç azaltılabilir.Bunu azaltmanın en iyi yolu motor devrinin düşürülmesidir.Akışkan direncini yenerek çalışan sistemlerde (pompa,fan gibi) motor gücü devir hızının küpü ile orantılıdır.Sürücü kullanılarak 463 yapılan kontrollerde,sabit hız-klape kontrol sistemlerine göre (özellikle düşük güçlerde) %50'ye yakın enerji tasarrufu sağlanır. Sadece enerji tasarrufu,göz önüne alınsa bile sürücü 6-24 ay arasında kendini amorti eder.Verimliliği artırmaya yönelik çalışmalar yapılmaktadır.Bunlar daha iyi malzeme kullanılarak yapılan yüksek verimli motorlar, sürücü ile uyumlu motor-sürücü sistemleri ve sürücü içine konulmuş motorlardır.Sabit mıknatıslı motor kullanımı ile motor verimliliği artırılabilir.Motor özel olarak sürücü içine yerleştirilecek şekilde tasarlanabilir.Bu sayede sistem daha az yer kaplar.Uzun kablo bağlantıları engellenir.motor sürücüye uygun olarak tasarlanır.Bu sayede,kayıplar azalır,verim yükselir,yarı iletken elemanlar daha kolay soğutulur. Uzun süre DC sürücüler, AC sürücülere oranla daha yaygın olarak kullanıldı.Yarı iletken teknolojisinin gelişmesi ve yüksek anahtarlama frekanslı elemanların gelişmesiyle AC sürücüler yaygın olarak kullanılmaya başlandı.Yarı iletken teknolojisi ve güç elektroniğinin gelişmesiyle,yüksek güçlü ve yük ihtiyaçlarına uygun çıkış verebilen,çıkış momentini temel alan sürücüler yapıldı.Çıkış gerilimi,sürücünün anahtarlama frekansı ve digital kontrolörün örnek alma frekansı ile orantılıdır. Sürücülerin,şebeke tarafına harmonik,reaktif akım,ek kayıplar (ısınma) gibi olumsuz etkileri yüksek frekanslı güç elektroniği elemanları ile engellenir. Diod kullanan doğrultucularda,motor frenleme esnasında enerjinin geri kazanımı mümkün değildir.Senkron üstü frenlemeyle oluşan enerjinin harcanması için direnç kullanımı zorunludur.Kontrollü doğrulucu daha pahalı fakat daha uygun çözümdür. Doğrultucuya göre tasarlanmış motorlar: Normal şartlarda AC elektrik motorları sinüzoidal gerilim ile beslenir.1970'lerden sonra akım ara devreli eviriciler kullanılmaya başlandı.Bu eviricilerde,doğrultucunun kendisi gerilim kaynağıdır.Motor akımlarının geri beslemesi, doğrultucuyu bir kontrollü akım kaynağına dönüştürür.Bu tip dönüştürücülere akım ayarlı darbe genlik modülasyonlu akım kaynağı denilir.Akım,anahtarlamalı güç doğrultucularında dikkatli bir şekilde kontrol edildiğinde,adım motorları veya relüktanslı motorlar,asenkron motorlara göre daha iyi performans sağlarlar.Bozuk bir sinüzoidal gerilimle beslenen motor,faz akımları,anahtarlamalı doğrultucular üzerinden beslendiğinde plaka değerlerini sağlar.Performansında değişme olmaz.Ancak motor daha gürültülü çalışır.Momentte vuruntu meydana gelir.Bu motor,küçük güç gerektiren uygulamalarda,indüksiyon motorlarına göre daha az mıknatıslama akımı çektiği için tercih edilir.Zorlu çalışma şartları gerektiren yerlerde, (maden ocağı delme makinaları,gaz türbününe montajlı yüksek hız jeneratörleri gibi) rotor ısısı asenkron motorun çekeceği gücü sınırlar.Bu gibi yerler bu motor için iyi bir uygulama alanıdır. Bu tip motorlar,anahtarlamalı güç doğrultucular için tasarlanmıştır.Bu çalışma türüne uygun sabit mıknatıslı motorlar tasarlanmıştır.Bu tür motorlara çapraz akılı motor 464 denir.Manyetik alan düzlemi,hareket yönüyle aynı düzlemde değil,hareket yönüne diktir. Alan ayarlı relüktans motorlarında,stator sargılarının bir kısmı uyarma akısını oluşturmak için, bir kısmı da gerekli momenti oluşturmak için kullanılır.Bu sayede,uyarma alanı ve döndürme momenti oluşturan alanlar birbirinden bağımsız olarak ayarlanabilir. Diğer bir tür sabit mıknatıslı motor, kare biçimli statoru olan (Torus) motordur.Stator,kare şeklindedir ve üç fazlı toroid (simit) şeklinde sarılmıştır.Mıknatıslar stator içine gömülü olarak bulunur.Stator iki rotor diski arasında yer alır.Bu motor trapezoidal gerilim ile çalışır."Torus" elektrik motorları sinüzoidal değil trapezoidal gerilim ile çalışır.Ulaşım araçları için tasarlanmıştır. Relüktanslı motor ile sabit mıknatıslı motorun birleşimi ile relüktanslı sabit mıknatıslı motorlar yapılmıştır.Bunun bir türü olan çift çıkıklı sabit mıknatıslı makinada,mıknatıslar statordadır.Besleme gerilimi üçgen dalga şeklindedir. Bu makinada mıknatıslar statorda olduğu için alan zayıflatması mümkündür.Mıknatısların oluşturduğu manyetik alan kolayca ayarlanabilir. Yeni geliştirilen motorlar: • 3 fazlı değişken relüktans motorları. • Çapraz akı motorları. • Eksenel akılı yuvarlak motor. • 3 fazlı,iki çıkıntılı sabit mıknatıslı motor. Bu yeni geliştirilen motorlar,sürücü kullanımına uygun olarak tasarlanmışlardır.Saf sinüzoidal olmayan gerilimlerde çalışacak şekilde yapılmışlardır.Aynı boyuttaki asenkron motorlara göre daha fazla yüklenirler.Bu güç artırımı daha iyi sabit mıknatıslı motor tasarımı ile fizik kanunları aşılmadan yapılmıştır.Mekanik olarak sağlam olan bu motorlarda,ucuz ferrit mıknatıs kullanılır.Relüktanslı motor en kötü seçenektir.Bunun sebebi,değişken relüktanslı makina relüktans yolu ile moment üretir.Diğer makinalar,sabit mıknatısların reaksiyonu ile moment üretir. Gelişmiş sürücü seçim yöntemi Elektrik motorlarının büyük kısmı yüke uygun olarak seçilmemiştir.Bazıları gereken gücün altında seçilmiştir.Motor sargıları aşırı ısınır.Sargı izolasyon ömrü,termal etki dolayısıyla azalır.Bazı durumlarda ise motor gerektiğinden büyük seçilmiştir.Bu da enerji kaybına sebep olur.Sürücüyü daha verimli kullanmak için yapılacak işlemler şunlardır: • Özellikle sürekli çalışan proseslerde,tüm tahrik elemanlarının verimliliğinin artırılması ve yüke en uygun şekilde seçilmesi. • Daha verimli çalışan yeni teknolojilere yer verilmesi. (Sabit mıknatıslı motorlar gibi) • Yüke uygun motor seçilmesi. 465 Genellikle proses için gerekli pompa,fan,kompresör v.s. seçildiğinde bir üst güçteki cihaz seçilir.Daha sonra bunu tahrik için bir üst kademedeki motor seçilir.Bu klasik yöntemle gerektiğinden büyük kapasitede sürücü seçilir.Bu atıl kapasite,sürekli proses izlenerek çıkarılan güç-zaman grafikleri yardımıyla engellenebilir.Bu sayede sürücü sistemi yeniden optimize edilebilir.Ayrıntılı proses analizi ile gerekli olan sürücü gücü tam olarak bulunabilir. Sistem tasarımında izlenebilecek iki yol vardır. Bu iki tasarım yönteminin temeli sistem çalışma esnasında yapılan ölçümlere dayanır. a) Elemandan elemana gerekli tahrik gücü yöntemiyle yapılan tasarım. (Güvenlik amacıyla atıl kapasite bırakılır.) b) Enerji tasarrufuna yönelik tasarım.Sistem sürekli izlenerek çıkarılan grafiklerle sistemi tahrik için gerekli minimum güç bulunur. 466 Optimal enerji temellerine dayanan tasarım 1) Proses çalışma şartlarının analizi.Hareket çeşitleri (dairesel,eksenel v.b.),hız,ivmelenme,sürtünmeler,atalet momentleri. 2) Tahrik özelliklerinin saptanması.Başlama,frenleme zamanı,çalışma aralığı,kontrol sınırları,hassasiyeti,çevreye olan (elektriksel) etkisi,limitleri. 3) Tahrik yapısının (tipinin) belirlenmesi.Tekli veya çoklu (grup) sürücüler,güç transferi,motor tipi,kontrol sistemi,çalışma yapısı. 4) Tahrik elemanlarının seçilmesi.Motor (nominal motor gücü,hızı,momenti vs.),dişli sistemi,kavramalar,anahtarlar,kontrol elemanları,sürücüler. 5) Sürücü parametrelerinin ayarlanması.Dişli büyüklüğü,kavrama ve mil gerilmeleri,izin verilen elektriksel ve ısıl motor yük. 6) Çalışan elemanların devreye alınması.Enerji bağlantılarının yapılması,kontrol özelliklerinin sisteme girilmesi,kompanzasyon ve filtre elemanlarının devreye alınması,koruma elemanlarının bağlanması. 7) Son kontrol ve optimizasyonların yapılması.Kontroller,prosesteki güç dönüşümleri,kayıplar,verimlilik vb. ölçümlerle eğer gerekliyse tahrik elemanlarının boyutlandırılması. Frekans denetimli alternatif akım sürücüler Değişken frekans ve değişken gerilim altında alternatif akım motorlarını beslemek için doğrudan frekans çeviriciler yada doğru akım ara devreli eviriciler kullanılır.Doğrudan frekans çeviricili sürücülerde,her bir fazda karşıt koşut bağlı iki benzer AC-DC denetimli doğrultucu içerirler.Doğrultucu çiftlerinden her biri motorun o fazdaki sargısına pozitif veya negatif bir gerilim uygulayıp, pozitif veya negatif bir akım akmasını sağlayabilir.Dört bölgede çalışma ve rejeneratif frenleme sağladıkları için doğrudan frekans çeviricili sürücülerin kullanım alanı çok geniştir. Akım beslemeli eviricilerde,ara devrenin bir akım kaynağı özelliği göstermesi dolayısıyla eviriciden ancak bir motor beslenebilir. Gerilim beslemeli eviricilerde,ara devrenin bir gerilim kaynağı özelliği göstermesi dolayısıyla birçok motor aynı eviriciden beslenerek eşzamanlı bir şekilde çalıştırılabilir. Sürücü sistemlerde ani moment değişimlerinin istenmediği durumlarda akım ara devreli eviriciler kullanılır. VEKTÖR KONTROLÜ Asenkron motorlar,boyutları,ağırlığı,rotor atalet momentleri,yüksek hız kapasiteleri,maliyet ve verimlilik gibi özellikleriyle DC motorlardan üstündürler.Fakat asenkron motorların lineer olmayan ve çok değişkenli olan hız kontrol parametreleri 467 vardır.Oysa serbest uyarmalı DC motorlarda akı ve moment ayrı ayrı,birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilir.Vektör kontrol yöntemi senkron ve asenkron motörlerin dinamik yapısını,serbest uyarmalı doğru akım motoru şekline dönüştürür.Sonuçta asenkron motor dört bölgede hızlı moment cevabı ve yüksek verimlilikle (sıfır hızda dahil olmak üzere) kullanılır. DC motorlarda sargılar stator çevresine kapalı çevrim oluşturacak şekilde dağılır.Oluşan kutuplar,doğru akım ile beslenen uyarma sargısıyla veya sabit mıknatıslar ile rotor döndükçe manyetik alan oluşturur.Akım karbon fırçalar üzerinden rotora iletilir.Rotoru döndüren mmf (elektro motor kuvvet) ana akıya dik olacak şekilde oluşur.Bu birbirine dik olacak şekilde oluşan akı ve elektromotor kuvvet arasındaki yapı,dönme hızından bağımsızdır.DC motorda rotoru döndüren elektromanyetik kuvvet,alan akısı ve stator akımına bağlıdır.Manyetik saturasyon (doyum) ihmal edildiği zaman,alan akısı,alan akımı ile orantılıdır.Alan akısı stator akımından etkilenmez.Stator ve rotor akılarının birbirine dik olması dolayısıyla,alan akısı stator akımından etkilenmez.Sonuç olarak,serbest uyarmalı doğru akım motorlarında,akı sabit olmak şartıyla,moment direk olarak stator akımıyla orantılıdır.Stator akımının direk olarak kontrolü,motor döndürme momentinin direk olarak kontrol edilmesini ve hızlı cevap vermesini sağlar.Çünkü motor momenti,stator akımının değiştiği hızda değişir. Asenkron motorlarda,stator ve rotor döner alanları arasındaki açı yüke bağımlı olarak değişir.Hız kontröllerinde osilasyona sebep olur.İdeal olarak,yük açısı kontrol edilmelidir.Böylece stator şebeke akımları akı ve moment oluşturan bileşenlerine ayrılabilir.Bu vektör kontrolü ile yapılabilir.Bazı alan bileşenleri arasındaki açı 900'lik açı asenkron motor özeğrilerinin doğru akım motoruninkine benzemesini sağlar.Sonuçta asenkron motor özeğrisi daha basitleşir ve yüksek performanslı hız kontrolü sağlanabilir.Vektör kontrolü akım kaynaklı ve gerilim kaynaklı sürücülere uygulanabilir.Fakat akımın kontrol edilmesi çok daha basittir. Vektör kontrolü,direk kontrol ve dolaylı (indirect) kontrol olmak üzere iki gruba ayrılır.Bu ayırım,rotor akı vektörünü saptama metodlarına göre yapılır.Dolaylı vektör kontrolü,yüksek hassasiyetli rotor konum algılayıcısına (sensor) ihtiyaç duyar (enkoder,resolver gibi).Bunlar vasıtasıyla rotor akı konumu saptanır.Direk vektör kontrolünde ise rotor akı vektörünün yeri (pozisyonu) ve büyüklüğü direk akı ölçümü veya hesaplanması yolu ile bulunur. Vektör kontrolü ilkeleri Asenkron motorlarda moment: 468 V s2 . I r2 .R r T = = 2 s.ω s Rr ⎞ ⎛ ⎜ Rs + ⎟ + ω s2 .(L s + L r s ⎠ ⎝ )2 Rr s.ω s Uzay vektörleri cinsinden moment: T = * ⎤ ⎡ 2 . M . Im ⎢ I s . ⎛⎜ I r . e j ε ⎞⎟ ⎥ ⎝ ⎠ ⎥ 3 ⎢⎣ ⎦ Uzay vektörleriyle ifade edilen moment ifadesine baktığımızda,rotor akımı vektörünün doğrudan kontrol edilemediğini görüyoruz.Dolaylı olarak,stator gerilimi ve akımı ile kontrol edilmelidir.Bu sebeple ir .ejε ifadesi statora yerleştirilmiş sensörlerin ölçümleri ile belirlenen bir ifadeyle değiştirilmelidir.Hava aralığı akısı statora yerleştirilen bobinler ile yada Hall etkisi sensörleri ile belirlenebilir.Bu ölçümler ile mıknatıslama akımı vektörü Im bulunur.Mıknatıslama akımı,stator ve akım vektörlerinin toplamıdır. Im= Is + Ir.ejε Bu eşitlik,rotor akımının Ir.ejε, moment eşitliğinden silinmesi için kullanılabilir.Başka alternatif çözümlerde mevcuttur.Stator akı vektörü (stator kaçak akısı ile birlikte) ile mıknatıslama akımı vektörü yeniden düzenlenir.Rotor akısını içeren düzenlenmiş mıknatıslama akımı vektörü (rotor kaçak akısı ile birlikte) stator koordinatlarında şu şekilde gösterilir: Imr = Is + ( 1+σr) . Ir . ejε Düzenlenmiş mıknatıslama akımı Imr , moment eşitliğinde yerine konulursa: 2 M . Im ⎡ I s (I mr − I s )* ⎤ T = ⎢⎣ ⎥⎦ 3 1 + σ r = 2 M 3 1 + σ r Im ⎡ I s . I mr * ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦ Imr mıknatıslama akım vektörü, Imr.ej.ρ şeklinde ifade edilebilir.Imr ve ρ,stator referans alınarak seçilmiş kutupsal koordinatlardır.Imr moment eşitliğinde yerine konulursa: 469 T = 2 M 3 1 + σ r I mr 470 Im ⎡ I s . e − j ρ ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦ e-jρ vektör döndürücüdür. Koordinat değişimi yapar.Değişim stator temel alınarak seçilen koordinatlardan,rotor akısını simgeleyen,mıknatıslama akımı vektörünün tanımladığı yeni referans sisteminedir.Sonuç olarak Ise-jρ vektörü,rotor akısı referans alınarak bakıldığında, stator akım vektörüdür.Alan koordinatlarında stator akı vektörü olarak tanımlanır.Vektör diagramına bakıldığında rotor ωm açısal hızıyla döner.Is senkron açısal hızı ile döner.Imr anlık açısal hıza sahiptir. Alan koordinatlarında,stator akım vektörü birbirine dik olan Ids ve Iqs bileşenleri içerir.Bunlar Imr vektörüne dik ve paraleldir. Ids= Re[Is e-jρ]= Is.cosδ Iqs=Im[Is e-jρ] = Is.sınδ Böylece yeni moment denklemi: T = 2 M 3 1+σ I mr . I qs = k . I mr . I qs r k = 2 M 3 1+σ r şeklini alır. Böylece asenkron motorun momenti Imr (mıknatıslama akım vektörü şiddeti) ve Iqs'in (stator akım vektörünün dik bileşeninin çarpımlarına bağlıdır.Bu sonuç,serbest uyarmalı doğru akım motoru bağıntılarına benzemektedir.Serbest uyarmalı doğru akım motorlarında moment,alan ve stator akımlarının çarpımı ile orantılıdır. Asenkron motorlarda,mıknatıslama akımı doğru akım motorlarındaki,ana alan akısı ile benzeşir.Ids bileşeni,doğru akım motorlarında ana alan akısını kontrol eder. 471 Ids = Imr + τr dI mr dt τr rotor zaman sabiti zaman kaybına yol açar.Bu kayıp Ids değişimlerine Imr'ın cevap vermesi sırasında oluşur.Bu gecikme doğru akım makinalarında, alan geriliminin değişimine, alan akısının uyması sırasında geçen gecikme zamanı ile benzerdir.Iqs,doğru akım makinalarının stator akımı ile benzeşir.Ani moment değişimlerinde,stator akımında yapılan uygun değişim ile Iqs tork değişimine hızlı cevap verir.Iqs,moment ve kaymayı üreten ωr'I kontrol eder.ωmr ' ı kontrol eder.ωmr ,rotor akı vektörünün anlık açısal hızıdır.Stator akımının senkron açısal hızı: ω1 = ω mr + dδ dt δ , yük aç ıçısı Yük açısı yüksüz halde sıfırdır.Sinüzoidal akım ile kararlı çalışma halinde, δ sabittir. ωmr ,ω1 'e eşittir.Akım vektörleri Is ve Imr senkron olarak döner.Bu sebeple Ids ve Iqs sabit DC büyüklüklerdir.Sabit motor momenti üretilir.Genellikle, eğer Ids ve Iqs bağımsız olarak kontrol edilebilirse,asenkron motor DC motor gibi davranır.Akı ve moment kontrolleri birbirinden bağımsızdır.Bu da vektör kontrolünün temelini teşkil eder. Stator akım vektörü alan koordinatlarında: Is e-jρ = Ids + j Iqs ⎡ I ds ⎤ ⎡ cos ρ ⎢I ⎥ = ⎢ ⎣ − s ıı ρ ⎣ qs ⎦ s ıı ρ ⎤ cos ρ ⎥⎦ ⎡ Iαs ⎤ ⎢I ⎥ ⎣ βs ⎦ Akı Vektörünün Toplanması Direk vektör kontrolünün uygulanması,rotor akı vektörünün ölçülmesi veya hesaplanması ile mümkündür.Rotor akı vektörü,rotor mıknatıslama akım vektörünün Imr şiddeti ve açısı ile ifade edilir.Hava aralığındaki sensörler,hava aralığı akı vektörünü,mıknatıslama akım vektörü cinsinden ifade ederler. Im = Is + Ir ejε Bu sinyal, stator akım sinyali ile birleştirilip,rotor mıknatıslama akım vektörünün üretilmesi için kullanılabilir. Im r= Is + (1+σr) Ir ejε Imr = (1+σr) Im - σr Is 472 Sonuç olarak,rotor mıknatıslama akım vektörü,statora yerleştirilmiş sensörlerce ölçülebilir. Hava aralığı akısı HALL etkili cihazlar veya stator bobinleri ile ölçülebilir.Her iki uygulamada da kullanılan asenkron motor bu işlem için tasarlanmış olmalıdır.HALL etkili elemanlar hassas ve sıcaklığa duyarlıdır.Analog integral alıcı devrelerle yaşanan problemler sebebiyle ölçme bobinleri 1 Hz'in altındaki değerlerde kullanılamaz.Eğer stator sargısı,akı hissedici bobin olarak kullanılırsa, standart asenkron motorlar, değişim yapılmaksızın kullanılabilir.Hava aralığı emf sinyali,terminal voltajı ve stator gerilim düşümü ile elde edilebilir.Fakat doğru gerilim düşümünün saptanması zordur.Stator direnci sıcaklığa bağlıdır.Gerekli çalışma için alt frekans sınırı 3 Hz. alınır. Genellikle,sensor bobin yöntemlerinde akı değişimleri ölçülür.Bobinler, akı değişimlerinde hassas olarak akı sinyali verecek şekilde çalışırlar.Sonuç olarak sıfır frekansta çalışma seçilmez.Bu metotlar pozisyon kontrol sürücüleri için uygun değildir.Analog integral alma, rotor gerilim eşitliğinin,rotor mıknatıslama akımı cinsinden yazılması ve akı modeli olarak kullanılmasıyla önlenebilir.Bu eşitlik,stator koordinatlarında akım şiddeti Imr ve açısı ρ için sürekli olarak çözülebilir.Aynı çözüm alan koordinatlarında daha verimli olarak çözülebilir.Her iki haldede üç giriş değeri gereklidir.Bunlar, mil hızı ve herhangi iki fazın akım değerleridir. Dolaylı vektör kontrol metodunda,ölçümlere veya rotor akı vektörü hesaplamalarına gerek yoktur.Gerekli olan rotor akısının anlık pozisyonunun belirlenmesidir.Bu, rotor pozisyon sinyalinin ve kontrol edilen kayma pozisyon sinyalinin toplanması ile olur.Asenkron motor modelinden hesap yolu ile sinyal bulunabilir.Bunun için rotor zaman sabiti bilinmelidir (τr).Sonuç olarak tüm dolaylı vektör kontrolü metotları makine parametrelerindeki değişmelere çok hassastır.Eğer hesaplamalarda kullanılan zaman sabiti gerçek değerden farklıysa istenilen akı ve moment ayrı ayrı elde edilemez.Kararlı halde ve dinamik halde bozulmalar olur.Parametrelerin değiştirilmesi gerekir.Fakat dolaylı vektör kontrolü metodu sıfır hızdada uygulanabilir.Servo sürücü uygulamalarında da kullanılabilir.Stator akımları doğru olarak referans akımlarını takip eder.Stator kaçak endüktansları, dolayısıyla oluşan zaman gecikmeleri akım döngülerinin hızlı hareket etmesiyle sönümlenir.Servo sürücülerde akıyı hisseden bobinler kullanılmaz.Bunun sebebi, akı bilgisi tüm hız aralığında toplanmak zorundadır.Oysa akı modeli,mıknatıslama akım vektörünü,terminal akımlarını ve hızı baz alarak hesaplar.Sıfır hızlarda etkili değildir.Dolaylı vektör kontrolü yöntemi,akı ölçümü ve hesaplanması yöntemi ile servo kontrolde geniş olarak kullanılır.Direk vektör kontrolü yöntemini, sensör bobinleri kullanarak,akıya ait bilgi toplayarak kullanmak iyi bir metottur.Bu sayede akıya ait ölçümler,dolaylı vektör kontrolü yöntemindeki değişken hassasiyetini ortadan kaldırır. 473 Vektör kontrolü yönteminde,asenkron motor,geçici ve sürekli hallerde doğru akım motoru gibi davranır.Sonuç olarak benzer sürücü kontrol mantığı kullanılabilir.Anma hızının altında,mıknatıslama akımı Imr (rotor akı büyüklüğünü simgeler) manyetik saturasyonla sınırlanan en yüksek değerinde sabit tutulur.Senkron hızın üzerine çıkıldığında, akı zayıflatılır.Bu bölgeyede alan zayıflatmalı çalışma bölgesi adı verilir. Direk vektör kontrolü metodu Iqs* ve Ids* iki eksenel referans akımlarıdır.Iqs* istenilen moment değeridir.Ids*, stator akımının akı bileşenidir.Dış kontrol döngüsü tarafından üretilir. İki fazdan üç faza dönüşüm yoluyla, Ids* ve Iqs* değerlerinden stator referans akımları olan Ias*, Ibs*,I*cs üretilir.Bu referans akımları, akım kontrollü darbe genlik modülasyonlu evirici ile stator fazlarında yeniden üretilir.Motor iç reaksiyonu,üç fazlı stator akımlarını eşdeğeri olan iki eksenli Ids ve Iqs değerlerine dönüştürmektir.Böylece dış referans akımları Ids* ve Iqs* asenkron motorda yeniden üretilir.Direk ve dik eksen akım bileşenleri sayesinde,akı ve momentin birbirinden ayrı olarak kontrolü gerçekleşir.Vektör dönmesi,rotor akısı açısı ρ temel alınarak yapılır.Bu yüzden rotor akısı pozisyonu hakkındaki kesin bilgi çok önemlidir.İki stator akımı değeri, mil hızıyla aynı zamanda ρ,Imr ve Iqs değerlerini hesaplamak için kullanılır.Imr ve Iqs değerlerinin çarpımı motor momentini verir. 474 AC motor dış kontrol döngü yapısı,DC motor dış kontrol döngü mantığı ile aynıdır.Hız hata sinyali,hız kontrol modülüne T* moment sinyalinin üretilmesi için iletilir.Hassas moment kontrolü için T* momenti,hesaplanan T momenti ile karşılaştırılır.Moment hatası,Iqs* dik eksen referans akımını üretir.Direk eksen referans akımı Ids*,mıknatıslama akım kontrol döngüsü tarafından üretilir.Bu döngüde,referans değeri Imr* ,ölçülen değer Imr ile karşılaştırılır.Senkron hız değerinin altında Imr* sabit tutulur.Fakat senkron hızın üstünde alan zayıflatma yöntemi uygulanır.Alan zayıflatması yönteminde,asenkron motor hız kontrolü DC motor hız kontrolüne benzer.Kontrol sistemi tasarımıda benzerdir.Asenkron motorun lineer olmayan özeğrisi değişir. Akım kaynaklı evirici sürücü Vektör kontrolü,stator akımının şiddetinin ve açısının hızlı bir şekilde kontrolünü gerektirir.Vektör kontrolü Ids ve Iqs stator akım bileşenlerinin bağımsız olarak kontrolünü gerektirir.Stator koordinatlarında stator gerilim denklemi: VS = RS I S + LS ( dI s d + M I r e jε dt dt ) Rotor akımı Ir,rotor mıknatıslama akımı ile değiştirilebilir. V S = R S I S + σ L S dI dt S − (σ − 1) L S dI mr dt Stator akım vektörü alan koordinatlarında ifade edilebilir: Is e-jρ = Ids + j Iqs Stator gerilim vektörü değiştirilebilir: Vse-jρ = Vds + j Vqs Kontrol sisteminde,hız çevrimi,akı ve moment sinyallerini üretir.Bu sinyaller,akı ve moment kontrol elemanları ile direk ve buna dik olan referans akımlarına dönüştürülür (Ids*,Iqs*).Gerilim beslemeli sistemde,akı ve moment kontrol elemanlarından gelen sinyaller kompanzasyon ve ayırma (decoupling) sistemlerince işlenir.Bunun sonucunda Vds*, Vqs* referans gerilimleri elde edilir.Bu referanslar daha sonra 3 fazlı stator referanslı Vas*,Vbs*,Vcs* değerlerine dönüştürülür.Bu dönüşüm,iki fazlı sistemden üç fazlı sisteme geçiş ve vektör rotasyonu ile olur.Vektör rotasyonu akı açısı ρ'nun bilinmesi ile olur. ρ akı ölçümlerinden veya akı modelinden elde edilir. Dolaylı vektör kontröl yöntemi Direk olmayan vektör kontrolünde akı sensörlerine veya akı modeline ihtiyaç yoktur.Fakat, rotor akı vektörünün yerinin tam olarak saptanması için mil 475 pozisyonunun tam olarak saptanması gerekir.Asenkron motorlarda T = k . Imr .Iqs direk vektör kontrolü metoduyla, hesap veya ölçüm yoluyla,rotor akı vektörünü ve rotor akı vektörüne senkronlu stator akım vektörünü bulur.Is ve Imr arasındaki bu senkronizasyon kayma denkleminin koşullarını sağlar. d ρ dt = ω = ω mr + m τ I qs r I mr Iqs, ωmr'I kontrol eder. ωmr kaymayı ve momenti üreten rotor akı vektörünün anlık açısal hızıdır. Kayma eşitliği,vektör kontrol elemanında hesaplanır.Böylece rotor akı pozisyonunun,direk ölçümüne gerek kalmaz.Bu yaklaşım dolaylı (indirek) vektör kontrolü metodunun temelini teşkil eder.Bu yönteme kayma frekans kontrol metodu ismide verilir. Elektromanyetik moment ve rotor akısı,Ids,Iqs ve ω değerlerinin uygun olarak seçilmesiyle,birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilir. I ds = I ω = I mr = qs I qs τ r I mr + τ T k .I = dI r mr dt mr T k τ r ( I mr )2 Bu hesaplamalar mikro işlemci yardımıyla yapılır.Hızdaki hata,hız kontrol ünitesine iletilir.Hız kontrol ünitesi, T* moment sinyalimi üretir.Mil hızı bilgisi fonksiyon üreticisine iletilir.Fonksiyon üreteci,senkron hızın altında sabit rotor mıknatıslama akımı ister.Senkron hızın üstünde ise alan zayıflatması kullanır.Moment ve akı sinyalleri Ids,Iqs ve ω referans değerlerinin hesaplanması için kullanılır.ω* (kontrol edilen kayma frekansı),θ* kayma açısal pozisyon sinyalini hesaplarken kullanılır.θ* rotor pozisyon sinyali ε'na eklenir. θ mil üzerine monteli enkoder'dan elde edilir.Rotor akısı açısı ρ'yu hesaplarken θ kullanılır.Bu hesaplamalar dijital olarak yapılır.ρ açısı ejρ vektör rotasyonu uygulamalarında kullanılır.Ids ve Iqs stator bazlı referans akımlarına ejρ elemanı ile rotasyon uygulanır.Stator referans akımları,motorda PWM (darbe genlik modülasyonu) ile üretilir.Vektör kontrolü sabit rotor akısını muhafaza 476 eder.Geçici hallerde bile rotor akısının uzay vektörleri ile stator akımı arasındaki moment açısını uygun şekilde kontrol eder.Rotor kaçak akılarının etkisi ihmal edilemez. Hava aralığı akısını temel alan vektör kontrolünün dinamik performansı daha kötüdür. 477 478 KAYNAKLAR 1. Güç Elektroniği, Elemanlar, Devreler ve Sistemler. Prof. Dr. M. Okyay KAYNAK 2. Power Electronics. Mohan, Undeland, Robbins. 3. Power Electronics and Variable Frequency Drives. Bimal K. BOSE 4. ABB Teknik Kullanım Kılavuzu No:1 Doğrudan Moment Kontrolü. 5. Elektrik Motorleri. İ. ÇETİN , W. SCHUISKY. 6. Papers from Energy Efficiency Improvements in Electric Motors and Drives. Anibal De ALMEİDA, Paolo BERTOLDİ, Werner LEONHARD • Efficiency Gains in Electrical Drive Systems. J. KARVİNEN, M. PELTOLA. • Advanced Motor Technologies. Converter Fed Machines. T.A. LİPO • The Dutch Programme on Efficient Motors and Drives. • Advanced Motor Technologies. Synchronous Motors and Drives. A. VAGATİ. • The Swiss Energy Programme, Information and Training in Efficient Drives and Energy Savings. • Calculation of Energy Savings from Drives. The French Demand Side Management Approach. 479 12. AYDINLATMADA ENERJİ TASARRUFU 1. Giriş Tüm ülke genelinde tüketilen elektrik enerjisinin %20 si aydınlatma amacıyla kullanılmaktadır. Bu nedenle aydınlatmada gerçekleştirilebilecek enerji tasarrufunun önemi büyüktür. Endüstride tüketilen elektrik enerjisinin içinde aydınlatmanın payı ise daha düşük olup, ortalama %10 civarındadır. Bu değer sektörlere göre değişmektedir. Örneğin gıda sektöründen bir fabrikada yapılan enerji taraması sonucunda, elektrik enerjisi tüketiminin tüm enerji içerisindeki payının %13, elektrik kullanımı içinde de aydınlatmanın payının %10 olduğu belirlenmiştir. Söz konusu tesiste, tüm enerji harcamaları içinde elektrik enerjisinin payının %34, dolayısıyla aydınlatmanın maliyetinin de %3.4 şeklinde olduğu ortaya çıkmıştır. Küçük bir yüzde olarak görülen aydınlatma maliyetinde gerçekleştirilen tasarruf, uzun saatler boyunca çalışılan tesislerde küçümsenmeyecek boyutlara ulaşır. Enerji tasarrufu yapılmaya çalışılırken, hiçbir zaman aydınlatmanın kalite kriterlerinden taviz verilmemelidir. Çünkü gereği gibi yapılan iyi ve kaliteli bir aydınlatma ile çalışanların görme yetenekleri iyileştirilerek, iş hacmi ve verimi arttırılır. Göz sağlığı korunur, iş kazaları en aza indirilir. Çalışma konforu ve iş potansiyelinin artmasıyla elde edilecek tasarruf elektrik enerjisine ödenen miktardaki azalmadan çok daha önemlidir. Bu nedenle endüstri tesislerinde, görme koşullarını en iyi yapan düzeyde düzgün ve kamaşmasız bir aydınlatma yaratılmalıdır. Bu da amaca uygun ışık kaynağı ve armatürlerin doğru seçimi ve yerleştirilmeleri ile mümkün olmaktadır. 2. Işık Kaynakları Aydınlatmanın gün boyunca uzun saatler kullanıldığı endüstri tesislerinde kullanılacak ışık kaynaklarının etkinlik faktörleri yüksek ve ömürleri uzun olmalıdır. Bu açıdan bakıldığında, enkandesen lambaların kullanımı söz konusu değildir. İç aydınlatmaya uygun renk özellikleri dikkate alındığında da bu tesislerde tüp fluoresan, yüksek basınçlı cıva buharlı, rengi düzenlenmiş yüksek basınçlı sodyum buharlı ve metal halojen (halide) lambaların kullanılabileceği ortaya çıkar. Sayılan bu lamba çeşitlerinin özellikleri, dolayısıyla kullanılabilecekleri alanlar birbirinden farklıdır. Tablo1’de söz konusu ışık kaynaklarının özellikleri toplu olarak verilmiştir. 480 Işık kaynaklarını karşılaştırmak amacıyla, 500 lux’lük ortalama aydınlık düzeyinin 5, 7 ve 9 m’lik tavan yüksekliklerinde sağlanması için, fluoresan, yüksek basınçlı cıva, yüksek basınçlı sodyum ve metal halojen lambalı armatürlerle aydınlatma tasarımları yapılmıştır. 5 m’lik tavan yüksekliklerinde gerekli düzgünlük oranları sadece fluoresan lambalarla gerçekleştirilebilmiştir. Daha yüksek tavanlarda ise cıva, sodyum, ve metal halojen lambalı tesisatlar fluoresan lambalı olana göre yaklaşık %70 daha az maliyetlidir. Maliyet analizi tesis ve işletme maliyetinin toplamı olarak, amortisman ve faiz oranları da dikkate alınarak yapılmıştır. Cıva, sodyum ve metal halojen lambalardan hangisinin kullanılacağına, aydınlatmadan istenilenler (renk, seçicilik, vs.) ve ışık kaynaklarının özellikleri (renk, ömür, etkinlik faktörü, vs.) dikkate alınarak karar verilmelidir. 3. Armatürler Geniş açık alanlar olan fabrika hollerinin aydınlatılmasında kullanılan armatürler direkt ışık dağılımlı olmalıdır. Kirlenmenin de fazla olduğu bu geniş alanlarda tavan ve duvarlardan yansıyarak gelecek olan ışığın katkısı yok denecek kadar azdır. Armatürler, ortamda olası toz, kir, nem ve patlayıcı gazlara karşı korunmalı, elle dokunulabilecek mesafelerde olanlar ise tamamen izole olmalıdır. Patlayıcı gaz ve buharlar, tutuşabilir sıvı ve katı maddelerin bulunduğu ortamlarda iki tip armatür kullanılır. Armatürler ya içlerinde olabilecek herhangi bir patlamayı dışarı sızdırmayacak şekilde, ya da patlayıcı gazların armatür içine girmelerini engelleyecek yapıda tasarlanırlar. Uluslararası kabullere göre, birinci gruptakiler Exd , ikinci gruptakiler ise Exe sembolleri ile gösterilirler. İkinci gruptakiler, tüm önlemlere rağmen patlayıcı maddelerin armatür içine girmesi halinde, devreyi açan özel koruyucularla da donatılmışlardır. 4. Aydınlık Düzeyi ve Düzgünlük Tablo 2’de bazı endüstri tesislerinde önerilen aydınlık düzeyi, E (lux), değerleri gösterilmiştir. Tablodan da anlaşılacağı gibi yapılan iş hassaslaştıkça ve zorlaştıkça gereken aydınlık düzeyi değerleri de artmaktadır. 481 Tablo 2. Endüstri tesisleri için önerilen aydınlık düzeyi değerleri YAPILAN İŞİN CİNSİ E (lux) *Montaj atölyeleri Kaba ( ağır makine san.) 300 Orta ( otomatif san.) 500 Hassas ( elektronik makine san.) 750 Çok hassas ( Ölçü aletleri) 1000 *Kimya, ecza, plastik ve lastik endüstrisi Otomatik işlemler 150 Genel fabrika iç hacimleri 300 Kontrol odaları, laboratuarlar, ilaç 500 yapımı Denetleme 750 Renk karşılaştırmaları 1000 *Konfeksiyon atölyeleri Ütü 500 Dikiş 750 Kalite-kontrol 1000 Tablo 2. Endüstri tesisleri için önerilen aydınlık düzeyi değerleri ( devam) YAPILAN İŞİN CİNSİ *Demir-Çelik endüstrisi Tam otomatik üretim atölyeleri Yarı otomatik üretim atölyeleri Sürekli insan bulunan üretim atölyeleri Kontrol panelleri ve kalite-kontrol *Deri endüstrisi Genel çalışma alanları Ütü, kesim, dikiş, ayakkabı yapımı İşleme, karşılaştırma, kalite-kontrol *Boya atölyeleri Daldırma boya, kaba spray Genel boya ve spray Hassas boya, spray ve cilalama 482 E (lux) 50 200 300 500 300 750 1000 500 750 1000 *Kağıt endüstrisi Otomatik işlemler Kağıt ve mukavva yapımı Ayıklama, sınıflandırma ve kontrol *Tekstil endüstrisi Balya açma İplik makaralama ve boyama İplik eğirme, dokuma Dikiş, düğümleme, kontrol *Ağaç işleme ve mobilya endüstrisi Testere makinaları Çalışma bantları Ağaç işleme makinaları Cilalama Son denetleme, kalite-kontrol *Elektrik endüstrisi Kablo imalatı Motor bobini sarımı Telefon,radyo,TV montajı ve testi Hassas elektronik eleman montajı *Yiyecek endüstrisi Otomatik işlemler Genel çalışma alanları El süslemesi ve kontrol *Cam işleri ve çömlekçilik Ateş ocağı Karışım , şekillendirme, kalıp, fırınlama odaları Cilalama, sırlama, parlatma Makina ile desen işleme El ile desen işleme Hassas işler, elde boyama 200 300 500 200 500 750 1000 200 300 500 750 1000 300 500 1000 1500 200 300 500 150 300 300 500 750 1000 Önerilen bu değerler kullanım süresince olması gereken değerlerdir. Bu nedenle ilk tesis değerleri saptanırken tesisin özelliklerine göre bir bakım-işletme faktörü (m) dikkate alınmalıdır. Bu faktör temiz koşullarda 0,8 ; kirli koşullarda ise 0,6 olarak kabul edilebilir. Genel aydınlatmada döşemeden yaklaşık 0,85 m. yükseklikteki çalışma düzleminde hacmin özelliklerine göre belli bir düzgünlük oranının sağlanması istenilir. Çalışma 483 düzlemindeki minimum aydınlık düzeyinin düzlemdeki ortalama aydınlık düzeyine oranı 0,8 den büyük olduğunda ( Emin/Eort ≥ 0,8 ) düzgünlük yeterlidir. Montaj yüksekliği tavan yapısı ile sınırlı olduğundan, düzgünlüğün iyileştirilmesi için armatürler arası açıklığın değiştirilmesi gerekir. Direkt aydınlatma sağlayan reflektörlü fluoresan lambalı aydınlatma düzeninde aynı sıra üzerinde birbirini takip eden armatürlerin orta noktaları arasındaki mesafe montaj yüksekliğinin (çalışma düzlemi ile armatür arasındaki mesafe) 2/3 'ünü, yan yana armatür sıraları arasındaki uzaklık da montaj yüksekliğinin 1,5 katını aşmadığında istenilen düzgünlük oranı sağlanmış olur. Yükseklik fazla olduğunda kullanılan yüksek ışık akılı deşarj lambalı high-bay düzeninde ise, düşey düzlemlerde de belli bir düzgünlük gerektiği için çalışma düzleminin 0,85 m. olarak sınırlanması doğru değildir. Böyle düzenlerde montaj yüksekliğinin tam ortasındaki yatay düzlemde minimum aydınlık düzeyinin maksimum aydınlık düzeyine oranının 0,6 dan büyük olmasına ( Emin / Emax ≥ 0,6 ) çalışılmalıdır. 1/2S S S E /E min E 1/2h =0.60 max hm ort h = 0.85 m ÇD Şekil 2. High-bay düzen için sağlanması gereken düzgünlük oranı 5. Aydınlatma Sistemleri Endüstri tesislerinde üç aydınlatma sistemi kullanılmaktadır; • Genel aydınlatma • Çalışma düzlemlerinde yoğunlaştırılmış lokalize aydınlatma • Özel (lokal) aydınlatma 5.1. Genel Aydınlatma Tüm çalışma alanında makina ve bantların yerleşim konumlarına bakılmaksızın belli bir düzgünlük derecesi sağlanarak yapılan aydınlatmadır. Işık kaynaklarının ve 484 armatürlerin seçimi olası montaj yüksekliklerine göre değişir. Bina tiplerine göre montaj yükseklikleri dört grupta toplanabilir. Çok katlı ofis tipli binalar………. 2,5 - 3,0 m. Tek yada çok katlı fabrika binaları 3,0 - 4,0 m. Tek katlı fabrika binaları.............. 4,0 - 7,0 m. Yüksek hangar tipli fabrika binaları.... 7,0 m. den yüksek Bu montaj yüksekliklerine göre seçilmesi gereken aydınlatma düzenleri aşağıda ayrı ayrı incelenmiştir. Montaj yüksekliği 2,5 - 3,0 m. ise Ofis tipli bu tür binaların tavanları genelde düzgün ve beyazdır. Tavanlar ışığın hacim içinde daha iyi yayılmasını sağlayarak aydınlatmaya katkıda bulunan elemanlardır. Bu tür binalarda en iyi çözüm flüoresan lambalı aydınlatmadır. Armatürler tavana eşit aralıklı bantlar veya kareler halinde yerleştirilebilir. Montaj yüksekliği az olduğu için kamaşmanın kontroluna özel bir itina gösterilmelidir. Montaj yüksekliği 3,0 - 4,0 m. ise Bu yüksekliklerde de yine fluoresan lambalı ve reflektörlü armatürlerin kullanılması en iyi çözümdür. Armatürler genellikle pencerelere ve çalışanların bakış doğrultularına paralel, çalışma bantları ve makina sıralarına dik olarak uzanan sürekli veya eşit aralıklarla kesintili bantlar şeklinde yerleştirilirler. Bu düzen çalışılan işin üzerine keskin gölgelerin düşmesini engellediği gibi, çalışanların gözlerine direkt gelen ışığın miktarını da azaltarak kamaşmayı kontrol eder. İyi ekranlanmış armatürler bakış doğrultusuna dik olarak da yerleştirilebilir. Bu düzen diğerine göre daha konforlu bir hacim görüntüsü verir. Ekranlı armatürlerin düşük verimi ve temizlik sorunları düşünüldüğünde ilk düzenin tercih edilmesi daha doğrudur. Çalışma alanlarının yer değiştirme olasılığı olan hacimlerde armatürlerin kolayca hareket edebilecekleri raylı (trunking) sistemlere monte edilmesi önerilir. Montaj yüksekliği 4,0 - 7,0 m. ise Bu yükseklikteki tek katlı fabrika binalarının genelde tavanları düz veya testere-dişi şeklinde kademelidir ve pencereler duvarların en üst kısımlarında bulunmaktadır. Yapılan işin cinsi ne olursa olsun, gündüz saatlerinde bile doğal aydınlatma yeterli 485 olmamakta, mutlaka ilave yapay aydınlatmaya ihtiyaç duyulmaktadır. 6 m. den alçak montaj yüksekliklerinde tavana veya çatı konstrüksiyonuna monte edilmiş yada birkaç metrelik askı çubukları ile asılmış flüoresan lambalı ve reflektörlü armatürler pencerelere dik veya paralel uzanan sıralar halinde yerleştirilmektedir. Gün ışığı seviyesinin yüksek olduğu yerlerde, gün ışığı kontrollü ışık akısı ayarlanabilen (loşlaştırılabilen) yüksek frekanslı flüoresan lambalı aydınlatma ekonomik bir çözüm olmaktadır. Montaj yüksekliği 6 m. yi aştığında ise etkinlik faktörleri ve ekonomik ömürleri daha yüksek olan diğer deşarj lambalarının kullanılması işletme ve bakım giderlerinde önemli bir ekonomi sağlamaktadır. Endüstri tesislerinde yüksek basınçlı cıva buharlı, rengi düzenlenmiş yüksek basınçlı sodyum buharlı ve metal halojen (halide) lambalar kullanılmaktadır. Seçim yapılırken ekonomiden önce yaratılan aydınlatmanın kalitesinin sağlanmasına çok dikkat edilmelidir. Renksel geriverim özellikleri çok farklı olan bu ışık kaynakları hacimde yapılan işin cinsine göre seçilmelidir. Örneğin boya renklerinin ayırt edilmesi gereken alanlarda mutlaka metal halojen lambalar kullanılmalıdır. Çok yükseğe monte edilen bu kompakt lambalar noktasal kaynaklar oluşturduklarından, aydınlatmanın düzgünlüğünün sağlanmasına ve sert gölgelerin önlenmesine de ayrı bir özen gösterilmelidir. Bu ışık kaynakları reflektörlü high-bay diye adlandırılan armatürler içine yerleştirildikleri ve çok yükseğe monte edildikleri için görüş alanındaki kamaşma tehlikesi büyük ölçüde ortadan kalkmaktadır. Söz konusu high-bay armatürler dar veya geniş açılı ışık dağılımına sahip olabilirler. Makinaların veya yüksek elemanların sık bulunduğu alanlarda dar açılı armatürlerin kullanılması avantajlıdır. Diğer taraftan kontrol panelleri, stok rafları gibi açıkça görülmesi gereken büyük düşey çalışma düzlemlerinin bulunduğu alanlarda ise daha geniş açılı armatürlerin kullanılması uygundur. Montaj yüksekliği 7,0 m. den fazla ise Çok yüksek fabrika hacimlerinde armatürler tavana sıralar halinde yerleştirilir. Bakım çalışmaları nedeniyle armatürlerin monte edildikleri düzleme vinç veya benzeri cihazlarla ulaşılabilmelidir. İhtiyaca göre dar veya geniş açılı ışık dağılımına sahip olabilen bu armatürlerin içlerinde güçleri 400 W dan büyük olan yüksek ışık akılı deşarj lambaları kullanılmaktadır. Yüksek güçlü lambaların kullanılması her zaman daha ekonomik olmaktadır. Bu nedenle düzgünlük koşullarının sağlanabildiği en yüksek güçlü ışık kaynakları seçilmelidir. Yüksek düşey düzlemlerde yüksek aydınlık düzeylerine ihtiyaç duyulduğunda ise, içlerinde 1 kW lık deşarj lambaları bulunan asimetrik ışık dağılımlı projektör tipli armatürlerin bu düzlemlere yönlendirilmesi daha uygun olmaktadır. 486 5.2. Lokalize Aydınlatma Çalışma konumlarının sabit olduğu hacimlerde genel aydınlatma yerine, çalışma düzlemlerinde yoğunlaştırılmış lokalize aydınlatmanın tercih edilmesi bazen işletme ve bakım masrafları açısından daha ekonomik olmaktadır. Bu sistemde armatürler çalışma düzlemlerinin üzerinde oldukça alçak seviyelere monte edilmektedir. Kamaşma açısından bu sistemde de çevredeki parıltının genel aydınlatmadaki sınır değeri aşmamasına özen gösterilmelidir. Ayrıca çalışma düzlemlerinin arasındaki geçiş yollarının da rahatça görme koşullarının sağlanabileceği bir seviyede aydınlatılması gerekmektedir. 5.3. Özel Aydınlatma Tablo 2' de verilen endüstri tesislerinde ihtiyaç duyulan aydınlık düzeyi değerlerine bakıldığında bazı işler için çok yüksek değerlerin gerektiği anlaşılmaktadır. Bu kadar yüksek değerlerin genel aydınlatma ile tüm hacimde sağlanması hem teknik hem de ekonomik açıdan çoğu kez mümkün olmamaktadır. Böyle durumlarda normal düzeyde genel aydınlatma ile beraber, sadece üzerinde çalışılan işin ve onun yakın çevresinin yoğun olarak aydınlatıldığı özel(lokal) aydınlatmalar soruna çare olmaktadır. Bakılan iş ile onun arka fonu arasında iyi bir parıltı kontrastı yaratarak görme işini kolaylaştıran özel aydınlatma genel aydınlatmaya ek bir fayda da sağlamaktadır. Fakat hiçbir zaman özel aydınlatma tek başına bir çözüm olarak düşünülmemeli, her zaman genel aydınlatmanın tamamlayıcısı olarak kullanılmalıdır. Çalışanların gözlerinde direkt kamaşmanın olmasını önleyecek şekilde gerçekleştirilen özel aydınlatmada kullanılan ışık kaynaklarının cinsleri, renkleri ve yönleri iyi seçilerek yapılan işin daha kolay görünmesi sağlanabilir. Örneğin sodyum buharlı lambalarla porselen veya emaye yüzeyindeki hatalar daha kolay görünür. Düşey camların depolandığı cam endüstrisinde yine keskinliğinin maksimum olduğu sarı ışıklı sodyum buharlı lambalarla en iyi sonuç alınır. 6. Aydınlatmanın Kontrolu Pencerelere paralel uzanan armatür sıralarının uygun anahtarlama düzenekleri ile bağımsız olarak yakıp söndürülebilmeleri büyük enerji tasarrufu sağlar. Bu sayede, gün ışığı yeterli olduğunda pencere kenarındaki armatür sıraları söndürülebilir. Aynı açma-kapama hatta loşlaştırma işlemleri gün ışığı sensörleri ile otomatik olarak da gerçekleştirilebilir. Tesis maliyeti yüksek olan bu sistemlerin kullanılmasına karar verilirken, hacme yeterince gün ışığı girip girmediği incelenmeli, ancak gün ışığı katkısı büyükse böyle sistemler düşünülmelidir. 487 Depo, laboratuvar gibi sürekli kullanılmayan alanlarda insan seçici sensörlerle, hacim boşken aydınlatmanın sönmesi sağlanmalıdır. Ayrıca zaman ayarlı kontrollar da enerji tasarrufu açısından yararlı olmaktadır. 7. Öneriler • Aydınlık düzeyleri değişik noktalarda ölçülerek seviye ve düzgünlük oranları kontrol edilmelidir. Enerji tasarrufu açısından gereğinden fazla aydınlatma yapılmamalıdır. Çalışma verimini ve güvenliğini düşüreceğinden, ölçülen düşük aydınlık düzeyi değerleri yeterli seviyelere yükseltilmelidir. • İstenilen düzgünlük değerini sağlayan, tavan yapısına uygun, etkinlik faktörü ve ömrü yüksek ışık kaynakları kullanılmalıdır. • Verimi yüksek, direkt ışık dağılımlı armatürlerle lambanın ürettiği ışık akısı çalışma düzlemine en az kayıpla iletilmelidir. • Armatür ve lambalar belirli Periyotlarda mutlaka temizlenmelidir. • Ekonomik ömür sonunda tüm lambalar yenileri ile değiştirilmelidir. • Binaların mimarisi, gün ışığından maksimum ölçüde yararlanılacak şekilde tasarlanmalıdır. • Aydınlatmanın gün ışığı, insan ve zamana bağlı kontrolleri gerçekleştirilmelidir. 488 Tablo 1. Endüstri Tesislerinde Kullanılabilen Işık Kaynaklarının Özellikleri Tipi Gücü (W) Tüp fluoresan Yüksek Basınçlı Civa Buharlı Yüksek Basınçlı Sodyum Buharlı Metal Halojen Alçak Basınçlı Sodyum Buharlı Ekonomik ömür (saat)** Işık rengi Renksel geriverimi 15-140 Etkinlik faktörü (lm/W)* 50-104 7500-12000 çeşitli orta→iyi 50-1000 31-56 15000 soğuk (mavi beyaz) zayıf→orta 50-1000 66-138 18000 altın sarısı zayıf→orta açık alanlar, endüstri tesisleri 35-3500 73-88 6000(4000) soğuk çeşitli iyi→çok iyi 18-180 26-131 72-142 61-172 13500 monokro matik sarı yok endüstri tesisleri, stadyum ayd. rengin önemli olmadığı her yerde (otoyollar, limanlar) * Balast kaybı dahil ** Işık akışının %30 değer kaybettiği ana kada geçen süre 489 Kullanım alanlarına örnek her çeşit ticari ve sosyal yapıda gezinti alanları, spor sahaları, fabrika holleri Bölüm 3. Sanayi Sektöründe Enerji Tasarrufunu Etkileyen Faktörler Ülkemiz nihai enerji tüketimi içinde yaklaşık %35, elektrik tüketiminde %54 tüketim payına sahip olan sanayi sektörü, hem yüksek enerji tasarrufu potansiyeli hem de tükettiği enerjinin tümüne yakınının ticari enerji olması nedenleriyle enerji tasarrufu çalışmalarında öncelikli sektördür. Ayrıca 1996 yılında %34.7 olan sanayi enerji tüketim payının 2000’de %37, 2010’da %56 olması beklenmektedir. Bu oranlar da, sanayi sektörünün yapısının enerji tasarrufu açısından irdelenmesi gereğini ortaya çıkarmaktadır. Ülkemizde halen, çoğu kamuya ait olmak üzere, günümüz koşullarında ekonomik olma özelliğini kaybetmiş sanayi tesisleri mevcuttur. Bu tesisler, maliyet kriterlerine göre fazla enerji tüketen ve teknolojik gelişmelere ayak uyduramamış tesisler olarak kalmışlardır. Bir çok endüstriyel proses, enerjinin başka şekle dönüştürülerek kullanılmasını gerektirmekte ve bu da genellikle önemli miktarlarda dönüşüm kayıplarına neden olmaktadır. Tabii ki bazı kayıplar kaçınılmazdır, ancak sanayi sektörümüzde bu kayıpların yer yer büyük miktarlara ulaştığı gözlemlenmiştir. Önlem alınmadığı takdirde bu kayıplar sürüp gidecektir. Son yıllardaki teknolojik gelişmeler ve enerji fiyatlarındaki artış, kayıp enerjiyi geri kazanmak için yapılacak yatırımları karlı hale getirmiştir. Ayrıca, enerji tasarrufu çalışmaları ile sadece enerji tüketimi azalmakla kalmamakta, bu çalışmalar sırasında bakım, onarım, işletme alışkanlıkları gibi fonksiyonların yeniden düzenlenmesi ile üretim ve işletme verimlerinde de artışlar sağlanmaktadır. Enerji tasarrufu imkanlarının çok yönlü karlılığına rağmen, yine de önlemler derhal alınamamaktadır. Maliyetlerin fiyatlara hemen yansıdığı piyasa ekonomilerinde dahi, sanayi ve gelişmiş ülkelerde daha da fazladır ve bu durumun başlıca nedenleri şöyle özetlenebilir; • • • • Fiyat değişmelerine olan tepkinin yavaş olması, mevcut işletmelerin verimli çalıştığı kanısının hakim olması, Enerji tasarrufu yatırımlarının kompleks oluşu, önerilen yeni ekipmanlara tam güvenilmemesi ve gerekli revizyonlar nedeniyle üretimin aksamamasının istenmemesi, Enerji tasarrufu yatırımlarının, çok sayıda küçük yatırımlardan oluşması, Son yıllarda, ekonomik şartların ağırlaşması nedeniyle yeni yatırımlara yeterli kaynak ayrılmaması, 490 • Verimin iyileştirilmesinden çok üretimin artışına önem verilmesi ve üst yönetimin enerji tasarrufuna yeterince ilgi göstermemesi. Bu nedenlere ilave olarak, sanayide enerji tasarrufu çalışmaları teknik ve mali engellerle karşılaşmaktadır. Bazen teknik, mali ve ekonomik engeller üst üste gelmektedir. Tesis bazında, uygun teknik imkanların bilinmemesi, enerji yönetimi konusunda uzman kadroların bulunmayışı, ölçü ve kontrol aletlerinin eksikliği gibi faktörler teknik engelleri oluşturmakta ve enerji tasarrufu çalışmalarını geciktirmektedir. Mali engeller ise, sermaye kıtlığı, yüksek faiz oranları ve enerji tasarrufu ekipmanları için orta vadeli basit finansman imkanlarının bulunmayışıdır. Bu engeller gelişmekte olan ülkelerde sanayileşmiş ülkelere nazaran daha ciddi boyutlardadır. Sanayi sektöründeki enerji tüketiminde ekonomi sağlayacak bir yaklaşım belirlenirken ülkenin sanayileşme stratejisi temel alınmalıdır. Bu çalışma, sanayinin bugünkü ve gelecekteki yapısına uygun enerji verimliliği teknolojilerinin işaret edilebilmesi durumunda yararlı olacaktır. Bundan sonraki bölümlerde Ulusal Enerji Tasarrufu Merkezi (UETM)’nin yürütmüş olduğu çalışmalara dayanarak yaptığı teknolojik tesbitlere ağırlık verilecektir. Sanayi Sektöründe Enerji Tasarruf Potansiyeli Tesbit Çalışması Sonuçları Sektörde enerji tasarrufu potansiyelinin belirlenmesi için EİE/UETM’nin 60’dan fazla tesise yürüttüğü etüt çalışmaları sonuçları, gelişmekte olan ülkelerdeki enerji yoğun sanayi alt sektörlerinde Dünya Bankası tarafından gerçekleştirilen bir çalışma sonucunda elde edilmiş enerji tasarrufu potansiyelleri ve enerji tasarrufu önlemleri ile ilgili genel kriterler esas alınarak, 1993 yılında bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada enerji tasarrufu sağlayıcı önlemler: • • Kısa vadeli, düşük yatırımlı önlemler, Uzun vadeli, yatırım gerektiren önlemler, Olmak üzere iki gruba ayrılmış ve Metal Ana, Gıda, Tekstil, Kağıt, Kimya, Toprak, Metal Eşya alt sektörleri için kısa vadeli ve uzun vadeli tasarruf önlemlerinin parasal değerleri Milyon Dolar olarak hesaplanmıştır. Ayrıca bazı senaryolar ortaya konarak, bu alt sektörlerde mevcut minimum ve maksimum tasarruf miktarları bulunmuştur. Yapılan bu çalışma sonucunda, sanayi sektörümüzde karşılığı 1.2 Milyar Dolar olan 5.3 Milyon TEP enerji tasarrufu potansiyeli olduğu belirlenmiştir. Bu değerin bugün 491 için, sanayi tüketiminin artmış olması nedeniyle 6 milyon TEP civarında olduğu tahmin edilmektedir. 492 Sanayi Sektörü Enerji Tüketimi Yapısı Tablo 1: Sanayi Sektörleri enerji tüketim değerleri dağılımı (1995) ve üretim maliyeti içinde enerjinin payı (1992) Sanayi Toplam Enerji Sanayi Tüketimindeki Oranı TEP % Demir-Çelik Demir Dışı Metaller Seramik Çimento Cam Kağıt ve Selüloz Tekstil ve Dokuma Petrokimya KimyaPetrol, Kömür, Kauçuk ve Plastik Ürünleri Sanayi Orman Ürün, ve mobilya Metal Eşya Gıda Toplam Ana kimyasallar Kimyasal Gübre Petrol Rafinerileri Boya, vernik İlaç Sabun, Temizleyiciler LPG Dolum Diğer Unlu Mamüller Çay Şeker Yağ Sebze ve meyva İşleme Sanayi Sigara-İçki Enerjinin Toplam Maliyet İçindeki Oranı % 4,863,328 34.9 11.5 ve 48 312,947 2.3 6.2 ve 47.4 627,789 2,736,165 234,898 468,823 822,305 4.5 19.7 1.7 3.4 5.9 32.5 55 22-42 9-30 8-10 606,423 308,138 718,962 406,006 7,149 17,693 41,190 4.6 2.2 5.2 2.9 0.05 0.12 0.3 28.5 24 40 4 1.6 1.5 2.1 34,082 558,000 0.24 4 1 72,143 0.52 6 41,251 8,132 72,053 415,759 137,731 65,762 0.3 0.006 0.52 2.99 0.99 0.47 4 4 3.5 8.5 3.7-6 6.44 107,287 13,923,448** 0.77 100 0.7-6 493 * Gıda sektöründe yer alan diğer sanayi dalları, süt ve süt ürünleri, su ürünleri, şekerleme, kakao, çikolata vb. Maddeler sanayi ile sınıflandırılmamış maddeler sanayilerini içerir. ** 1200 fabrika toplamı DİE tarafından 1992 ve 1995 yıllarında yapılmış 1200 civarındaki sanayi tesisini kapsayan çalışmanın sonuçlarına göre; yıllık enerji tüketimi 500 TEP ve üzerinde olan işyerlerinin toplam enerji tüketimi Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığınca açıklanan sanayi enerji tüketiminin % 75'ini teşkil etmektedir. Enerji Tüketimi açısından %37 civarında paya sahip olan Metal Ana Sanayiinde demir çelik sektörü en büyük ağırlığa sahiptir (%35). Bu sektörde enerjinin toplam maliyet içindeki payına bakıldığında bu değer, entegre demir çelik sanayiinde %48, ark ocaklı tesislerde % I 1.5 civarındadır. Ark ocaklı tesislerdeki enerji maliyetinin % 1 1.5 olarak gözükmesi, hurdanın maliyet içinde önemli bir paya sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Demir dışı metal sektöründe %47.4 olarak görülen enerjinin maliyet içindeki oranı, 5 devlet fabrikasındaki ortalama değerdir. Seramik sektörünün payı tüm sanayi içinde %4.5 olurken, enerjinin maliyet içinde payı %32.5 civarındadır. Çimento sektöründe ise enerjinin maliyet içinde payı %55 civarındadır. Tüm sanayi tüketiminin %65'ini teşkil eden metal ana sanayi ve toprak ana sanayinde enerjinin toplam maliyetler içindeki payı %I 1-55 arasında değişmektedir. Bu nedenle Türk sanayi sektörü "enerji yoğun sanayi" olarak adlandırılabilir. Gelecekte enerji yoğun endüstrilerdeki kapasite artırımları veya yeni tesis ilaveleri sanayi enerji tüketim miktarını görülür bir şekilde etkileyecektir. Bu nedenle ülke enerji planlamasının sanayi sektörlerindeki ve özellikle enerji yoğun sanayilerdeki üretim artışlarının paralelinde yapılması gereklidir. Böylece enerji tüketimindeki artışların, ülke ihtiyacının üzerinde ve ağırlıklı ihracat amaçlı, enerji yoğun endüstriyel kontrollu olarak ve ithalata dayalı üretimlerin bir plan dahilinde arttırılması ile dengelenmesi de sağlanabilir. Sanayi Sektörünün Enerji Tasarrufu İmkanları Açısından İrdelenmesi Sanayi prosesleri, üretimin tipine göre iki ana ekipman etrafında geliştirilmiştir. Bunlar fırınlar ve kazanlardır. Fırınlar, metalurjik üretimlerde ve toprak sektörü üretimlerinde yüksek sıcaklıklarda çalıştırılmakla birlikte, gıda sanayi gibi bazı alanlarda düşük sıcaklıklarda pişirme, kurutma, fermantasyon amaçlı kullanılmaktadır. Öte yandan kazanlar genelinde buhar tüketen sektörlerdeki tekstil, kağıt, kimya, şeker gibi sektörlerde proses akışkanını üretmekte kullanılmaktadır. Fırın veya kazan, prosesin ana ekipmanı ne olursa olsun ısı enerjisinin üretimi, kullanımı ve bacadan atılması enerji verimliliğinin arttırılmasındaki potansiyel alanlardır. Fırınlar ve Kazanlar 494 Fırınlar Fırınlar modern endüstrinin önemli ekipmanlarındandır ve seramik, cam, tuğla, çimento ve metalurjik ürünler üretimlerinin çeşitli aşamalarında ve yüksek sıcaklık bölgelerinde işlem görmektedir. İyi tasarım ve işletme şartlarına sahip fırınlar, ürün kalitesi ve işletme maliyeti açısından farklı değerler vermektedir. Bu farklı değerler, günümüzde teknoloji farkı olarak adlandırılmaktadır. Yüksek sıcaklık bölgelerinde çalışan fırınlar, enerji tasarrufu için büyük potansiyele sahiptir. Özellikle bacadan atılan gazların sıcaklığının çok yüksek olması nedeniyle, bu gazların ön ısıtmada kullanılarak enerjilerinin geri kazanıldığı durumlarda yüksek enerji verimliliği artışları sağlanabilmektedir. Toplam sanayi tüketimi içinde %65 paya sahip olan metal ana sanayii ve toprak sanayii, yüksek sıcaklık bölgelerinde çalışan fırınlara örnek gösterilebilir. Bu sektörlerdeki yüksek sıcaklık prosesleri ve çalışma sıcaklıkları aşağıdaki gibidir: Metallerin ısıl işlemleri: 1100°C Haddeleme, ekstrüksiyon, presleme gibi ısıl işlemler ve seramik malzemelerin pişirilmesi: 1350°C Metallerin ergitme ve izabesi: 1700°C Fırınların pek çoğu gaz ve sıvı yakıtlarla çalışmaktadır. Ayrıca yüksek fırın, çimento fırını gibi bazı fırın ve ocaklar katı yakıtlarla (kömür, kok gibi) çalışmakta, bu yakıtlar aynı zamanında proses katkısı (kimyasal reaksiyon ısılarının kullanılması gibi) olarak da kullanılmaktadır. Ayrıca çok değişik tipte (ark ocağı, indüksiyon ocağı gibi) elektrikli fırın, yüksek işletme maliyetlerine rağmen, metalurjik ürünlerin üretiminde (çelik, aluminyum, elektrolitik bakır) kullanılmaktadır. Yakıtla çalışan fırınların enerji verimliliği istenen sıcaklık aralığı ve yakıt cinsi ile bağlantılı olarak %10-40 arasında değişmektedir. Sanayide karşılaşılan bazı örnekler bu kayıpları doğrulamakta, yer yer bu değerlerin üzerine çıkıldığı da görülmektedir. Örneğin, halihazırda çelik tesislerimizden birinde çalışmakta olan ısıl işlem fırınında, baca gazı kaybı %64, malzemeye verilen enerji %12, menevişlemede baca gazı kaybı %80.6, mamule verilen ısı %6.6 dır. Sürekli proses teknolojilerinin uygulandığı yerlerde, ısı kaybının azalması ve optimum işletme şartları sağlanması sonucunda bu değerlerin üzerine çıkılabilmektedir. 495 Ülkemizde kullanılan yüksek sıcaklık bölgesinde çalışan fırınların hemen hemen tamamı yurtdışından satın alınmaktadır. Bu nedenle, alınan ülkenin teknolojisine bağlı olarak enerji verimliliği yüksek veya düşük olabilmektedir. Örneğin, ülkemiz seramik sektörüne Alman ve İtalyan teknolojisi hakimdir. Alman teknolojisi ile geliştirilen fırınlarda genellikle atık ısının değerlendirilmesi ile ilgili önlemler daha etkin olmaktadır, ancak bu fırınlar İtalyan teknolojisi ile üretilen fırınlara göre daha pahalıdır. Sektördeki pazara daha çabuk ve ucuz bir tesisle cevap vermek isteyen üreticilerin tercihleri İtalyan teknolojisinden yana olmaktadır. Tesisin üretime girmesinden sonra ilave ekipman yerleştirilmesinin mümkün olduğu durumlarda, atık ısı geri kazanımı ile ilgili ilaveler fabrikalar ve yerli mühendislik firmaları tarafından gerçekleştirilmektedir. Yapılan değişiklikler sonunda önemli tasarruflar sağlandığı UETM tarafından yapılan çalışmalar sırasında tespit edilmektedir. Fırınlarda Enerji Verimliliğini Etkileyen Faktörler Fırından optimum işletme ve üretim verimi sağlanması için, fırında işlenecek ürüne uygun boyut ve şeklin gözönünde bulundurularak tasarım yapılması gereklidir. Fırın tasarımında veya satın alınıyorsa seçiminde, ortak noktalar olarak aşağıdaki hususların değerlendirilmesi gereklidir: Üretilmesi planlanan ürünün tipi, boyutu, şekli ve üretim miktarı, Tüm proses boyunca istenen sıcaklıklar ve sıcaklık aralıkları, Yanına veya ergitme için istenen boyut ve fırın özellikleri, Fırındaki ürün hızı miktarı veya ergitme oranı-hızı, Kesikli veya sürekli işletme olması. Fırın atmosferi için ve atık gazlar için istenen şartlar. Tasarım kapasitesi enerji verimliliğini etkilemektedir. Örneğin, üretim talebinin üzerinde seçilmiş beş tonluk bir fırın, bir ton üretim için çalıştırıldığında, aynı yapısal ısı kaybı ile daha maliyetli olarak çalışacaktır. Fırının şekli ise, fırın içinde meydana gelen radyasyonun maksimum şekilde malzemeye transferinde ve ısının fırın içinde en iyi şekilde sirkülasyonunda hayati bir faktördür. Fırına brülörlerin yerleştirilme düzeni veya katı yakıtın beslenmesi, fırın içindeki ısı dağılımını etkilemektedir. Yanma ürünlerinin fırın içindeki dolaşımı ve bacadan atıldığı noktadaki sıcaklıklar dikkat edilmesi gereken noktalardandır. 496 Diğer taraftan, fırına malzeme şarjı ve/veya deşarjı için kullanılan kapıların tasarımı da ısı kayıplarında önemlidir ve UETM tarafından yapılan enerji tasarrufu etütlerinde göze çarpan kayıp noktaları olarak tesbit edilmişlerdir. Fırına giren soğuk hava sadece yakıt tüketimini arttırmakla kalmamakta aynı zamanda fırın içinde soğuk bölümler yaratarak ürün kalitesini bozmakta ve fırın malzemeleri üzerinde olumsuz etki yapmaktadır. Fırınların Isı Depolama Kapasitesi ve Yapısal 1sı Kayıpları Fırın performansı ve yakıt tüketimini etkileyen önemli faktörlerden biri de işletmeye uygun refrakter ve ısı yalıtım malzemesinin seçimi ve uygulanmasıdır. Kesikli olarak işletilen, ısıtma-soğutma gerektiren bir fırının aşırı izolasyon ile ısı depolama kapasitesinin arttırılması yakıt ısrafına sebep olabilir. İzolasyon ve fırın malzemeleri, işletme süresi, malzeme yükleme oranı, istenen sıcaklık profili gibi parametreler ile birlikte göz önüne alınmalıdır. Son yıllarda fırınlarda sağlanan teknolojik değişimlerde bu malzemelerin geliştirilmesi ağırlıklı olarak yer almaktadır. Normal refrakterler yerine kullanılan sıcak yüzey refrakter izolasyonunun (Hot Face Refractory Insulation) ve seramik elyaf malzemelerin (ceramic fibre) kullanımı, yalnız ısı kaybının azaltılması amacıyla değil diğer (hafiflik, soğuma zamanında düşüşler gibi) avantajları nedeniyle de yaygınlaşmaktadır. Ülkemizde de bazı tesislerde bu uygulamalar başlamıştır, ancak bu malzemeler ülkemizde henüz üretilmemektedir. Yenilik olarak adlandırılabilecek bu malzemelerin uygulama sonuçları Tablo 5'te verilmektedir. Tabloda, 100°C de haftada 5 gün, günde 12 saat kesikli olarak işletilen ve m2 fırın iç yüzey alanına sahip bir fırından değişik izolasyonla sağlanan tasarruflar gösterilmektedir. 497 Duvar Konstrüksiyon Tipi Isı Kaybı Mj/hafta Isı Depolama Kaybı Fırın Çalışmadığı Zaman MJ/hafta Toplam Kayıp Mj/hafta Yalıtım Kullanılarak Isı Kayıplarında Sağlanan Isı Kaybı Azalma Oranı 229mm Refraktör 3217 5275 Kesikli İşletme 12saat/gün, 5gün/hafta 229mm Sıcak 114mm SYR + 63mm Seramik Yüzey Refraktörü 114mm Elyaf + 102mm (SYR) Diatometic Mineral Yünü İzolasyon 1192 722 443 1720 1783 383 8493 2912 65.5 2505 70.5 828 90.3 Fırınlardaki (seramik ve tuğla) yüzey ısı kayıpları, toplanı kayıplar içinde % 10 civarında bir paya sahiptir. Ancak kesikli olması durumunda fırın izolasyonu enerji kaybını etkilemektedir. 5.3.1.1.1 Isı Kayıpları Atık ısı kayıpları, fırınlarda enerji verimliliğini etkileyen önemli faktördür. Fırında kullanılan fazla yakma havası ve yanma sonucu oluşan gazlar sıcak gaz olarak bacadan atılır. Reküperator veya rejenaratörü olmayan, yüksek sıcaklıkta çalıştırılan, kesikli olarak malzeme yüklenen (batch type) ve kütle ve ısı balansının sağlandığı bir fırında baca yolu ile oluşan kayıp (sıcaklığa da bağlı olmakla birlikte) %80’leri bulabilmektedir. Fırın yüzeyindeki küçük delikler, duvarın kendi emisivite değerine göre düşük emisivite nedeniyle ihmal edilebilir ısı kayıplarına neden olmakla birlikte, kapının açık bırakılması önemli kayıplara yol açmaktadır. Bazı fırın üreticileri özellikle yükleme ve boşaltma sırasındaki kayıpları azaltmak için ikinci kapı veya daha değişik tasarımlar geliştirmiştir. Ülkemizde bu tip uygulamaların yapıldığı fırınlar, sektörlere göre değişik oranlarda olmak üzere yaygınlaşmaya başlamıştır. 5.3.1.1.2 Isı Geri Kazanımı Fırınlarda, 250-750°C arasında yüksek sıcaklıkta ve 20-250°C arasında düşük sıcaklıkta olmak üzere iki seviyede atık ısı meydana gelir. Bu ısının geri kazanımı da, sıcaklığa, atık debisine, ısının kazanıldığı ve değerlendirildiği yere ve kirliliğe bağlı olarak çok geniş uygulamalara ve alternatiflere sahiptir. En genel uygulama, rejeneratör veya reküperatör sistemleriyle fırın yakma havası ön ısıtması yapılmasıdır. Atık ısı kazanları ile buhar üretimi şeklindeki değerlendirmeler de, son yıllarda kojenerasyonla birlikte gündeme gelmiştir. Öte yandan metal 498 ergitmede kullanılan ocaklarda, fırın yapısını korumak ve refrakterin değiştirilme zamanını uzatmak için yapılan su ile soğutma , bir ısı kaynağı olarak değerlendirilmektedir. Bu tür uygulamaların Türk sanayi sektörü içinde çok yaygın olduğunu söylemek zordur ve bu alanlarda yapılacak enerji tasarrufu uygulamaları büyük bir potansiyel olarak önümüzde durmaktadır. Sıvı ve gaz yakıt yakan fırınlardaki önemli bir etken de brülörlerdir. Günümüzde yeni tip reküperatif ve rejeneratif brülörler birçok fırında kullanılmakta, atık ısıyı kullanmak suretiyle yakına havasını önemli oranda ısıttıklarından enerji tasarrufu sağlamaktadırlar. Fırınlarda, yukarıda belirtilen ortak karekteristik özelliklerden bahsedildikten sonra, enerji tüketimi açısından etkili ve fırın prosesi ağırlıklı bazı sanayi sektörleri bazında enerji tüketimi ve tasarrufu ile ilgili değerlendirmeler daha sonraki bölümlerde yapılacaktır. 5.3.1.2 Kazanlar Kullanım ihtiyaçlarına göre çok değişik türlerde üretilen kazanlar, ilk yatırım ve işletme giderleri bakımından oldukça pahalı enerji üreteçleridir. Ancak enerjiyi, kullanım yerine sıcak akışkan şeklinde taşımanın getirdiği büyük avantajlar, kazanları sanayi sektörünün en önemli ekipmanı haline getirmiştir. 1995 yılı itibarıyla DİE'nin 500TEP'in üzerinde enerji tüketen 1200 civarındâki sanayi tesisinde yaptığı araştırmaya göre, bu tesislerinde %21.4'ü katı, %50'si sıvı ve %28.5'i gaz yakıt yakan olmak üzere 3104 adet kazan mevcuttur. EİE' nin yaptığı etüt sonuçlarına göre, kazanların genellikle %23 - %133 arasında fazla hava ile çalıştırıldığı, bunun da verim üzerinde %5 - %10 I etkisi olduğu tespit edilmiştir. Fazla havanın azaltılması el ile kontrol edilebildiği gibi, bu amaçla kullanılan otomatik yanıma kontrol sistemleri de geliştirilmiştir. Düşük baca gazı sıcaklığı ise yanma ve ısı geri kazanım teknolojileri ile halen gelişen bir alandır. Kazan seçimi yapılırken işletmenin yıllık, aylık ve günlük bazda halihazırdaki buhar ihtiyaçlarının bilinmesi ve yakın gelecekte olabilecek yük durumlarının göz önüne alınması gereklidir. Yakıt seçimi ve bu yakıta uygun kazan seçimi, yapılması gerekli olan önemli değerlendirmelerdir. Yanma verimliliği ise son yıllardaki teknolojik değişikliklerle bu verimin arttırılması ve optimum işletme şartlarının sağlanması üzerinedir. 499 Kullanılan kazanlar mümkün olduğunca maksimum talebe yakın yüklerde çalıştırılmalıdır. Kazandaki buhar basıncının düşürülmesi ile yakıt faturasında %1-2'lik bir tasarruf sağlanabilmektedir. Bu amaçla kazanlar, proseste kullanılan buhar basınç değerleri göz önüne alınmak kaydıyla, kendi orijinal çalışma basınçlarının altında çalıştırılabilirler. Bu tasarrufların bir kısmı baca gazı sıcaklığının düşürülmesi ve bununla birlikte oluşan kazan verimindeki artıştan dolayıdır. Kazan yüzeyinden olan ısı kayıpları da basıncın düşürülmesiyle orantılı olarak bir miktar düşecektir. Eksik yanmayla oluşan ısı kayıpları, katı veya sıvı yakıt içerisinde bulunan yanabilir maddelerin yanmayarak kül içinde kaldığı veya baca gazında yanmamış karbon oluştuğu zaman meydana gelmektedir. Yakıtlar serbest nem şeklinde veya kimyasal bileşimlerinde su bulundurabilirler. Yakıtın içerisinde bulunan nem yanma esnasında buharlaşmakta ve açığa çıkan su buharı, kazandaki faydalı enerjinin bir kısmının bacadan dışarı atılmasına sebep olmaktadır. Yakıttaki serbest nemin yakmadan önce mümkün olduğunca azaltılması enerji tasarrufu açısından gereklidir. Baca gazındaki su buharı nedeniyle meydana gelen kayıplara ilave olarak CO2 ve yanmada bir rolü olmayan azot tarafından da dışarı ısı taşınmaktadır. Yanma için gerekli olan O2'den faz(a miktarda yanma havası da faydalı ısıyı bacaya taşır. Isı kayıpları, fazla hava miktarı ve baca gazı sıcaklığını optimum seviyeye indirme yoluyla kontrol edilmelidir. Baca gazı sıcaklığının kabul edilen değerlerin üzerinde olması halinde bacadan atmosfere fazla enerji atılmış olacaktır. Bu durumda kazan verimi önemli oranda düşer. Bacadan atılan enerjinin yüksek olmasının iki ana nedeni vardır. Bunlardan birincisi ısı transfer yüzeylerinin yetersiz oluşudur. Böyle durumlarda bacaya hava ön ısıtıcısı veya kızdırıcılar kurularak baca gazının ısısından faydalanmak mümkün olmaktadır. Baca gazı sıcaklığının yüksek olmasının ikinci nedeni ise, ısı transfer yüzeylerinde oluşan kirliliklerdir. Bunu önlemek için, kazan boruları belirli periyotlarda temizlenmeli ve ayrıca kazana verilen besi suyunun sertliği sık sık kontrol edilmelidir. Farklı yakıtlar, farklı oranlarda karbon ve hidrojen ihtiva ettikleri için ısıl değerleri ve yanma sonucu oluşan bacagazındaki nem, curuf ve kurum miktarları değişmektedir. Bunların herbiri verimi etkilemektedir. Bu durum daha çok katı yakıt yakan kazanlarda görülmekte ve bir yakıt cinsi veya parça büyüklüğüne göre tasarlanmış bir 500 kazanda farklı bir yakıt veya değişik parça büyüklüğünde yakıt yakıldığında verim değişmektedir. Sıvı yakıtlarda verimi etkileyen bir faktör de atomizasyon sıcaklığıdır. Atomizasyon sıcaklıkları sıvı yakıtların cinsine göre değişmektedir. Kazanlardan en büyük verim, düşük yükte ve aşırı yükte çalıştırılmadıkları zaman elde edilir. Maksimum yük ve devamlı çalışma durumunda iken çekilen yük oranı %50 nin altına düştüğünde verim eğrisi de hızla düşmektedir. Buna bağlı olarak, kazan yüzeyinden olan ısı kayıplarının yüzdesi de artmaktadır. Kazanlar, kapasiteleri göz önüne alınarak, mümkün olduğunca yüksek yüklerde çalıştırılmalıdır. Kazan yüzeyinden ısı kayıpları, radyasyon ve konveksiyon şeklinde olmaktadır. Modern kazanlarda bu kayıplar, eğer kazan tam yükte çalışıyorsa %1'den küçüktür. Bununla birlikte eski tip kazanlarda ve izolasyonu kötü kazanlarda bu kayıp %10'a kadar çıkabilmektedir. Kazan yüzey sıcaklığını, ortam sıcaklığının yaklaşık 30°C üstündeki bir değere düşürecek şekilde yapılmış bir izolasyon, bu tür kayıpları en aza indirmek açısından yeterli ve uygun olarak görülmektedir. Kazan suyunun içindeki çözünebilen bazı mineraller, sıcaklık değişiminde tortulaşmalara neden olmaktadır. Buhar kazanlarında verimin düşmesine sebep olan tortuları önlemek için kazana iletkenliği düşük, yumuşak besi suyu verilmelidir. Kazan suyu buharlaşma ile, proseste direkt buhar kullanımı sonucu veya blöf nedenleriyle zamanla eksilmektedir. Eksilen su, tasfiye edilmiş su veya kondens suyu ilavesi ile takviye edilmektedir. Besi suyu adı verilen kondensat geri dönüşü ve tasfıye edilmiş su karışımının kazana mümkün olan en yüksek sıcaklıkta girmesi sağlanmalıdır. Besi suyunun kazana soğuk girmesi durumunda hem bu suyun yeniden ısıtılması için ayrıca enerji harcanacak, hem de suyun içerisindeki bazı mineraller sıcaklık değişimi nedeniyle tortulaşarak kazan içinde kireç taşı oluşturacaktır. Kazanlarda üretilen buhar, sistemde kullanıldıktan sonra bir kısmı doymuş buhar, bir kısmı da su olarak sistemden ayrılmaktadır. Uygun yerlere konulacak buhar kapanları vasıtasıyla buharın sistemde kalması sağlanabilmektedir. Sıcak su olarak ayrılan diğer akışkanın, prosesten kaynaklanabilecek herhangi bir kirlenme söz konusu değil ise, besleme suyu olarak kazana döndürülmesi kazan verimine olumlu etki yapmaktadır. Direkt buhar kullanımının mümkün olabildiğince azaltılması ve kondensat geri dönüş oranının, sisteme gönderilen tüm buhar kondensatlarını 501 toplanmak suretiyle olabildiğince artırılması, kazan verimini artırıcı ve yakıt tüketimini azaltıcı yöntemlerdendir. Kazanlara verilen yanma havası ısıtılması ile kazan veriminde artış sağlamak mümkündür. Yanma havasının baca gazından faydalanılarak ısıtılması yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. 5.3.2 Demir Çelik Sektörü Ülkemizde sanayi tüketiminde %36 gibi önemli bir paya sahip olan metal ana sanayiinde, tüketilen enerjinin %90'a yakın bölümü demirçelik üretimi için harcanmaktadır. Ülkemizde demir çelik üretimi ve işlenmesi, 3 entegre tesis ile 20 civarında ark ocaklı tesis ve çok sayıda büyüklü küçüklü haddehane tipi sanayi tesislerinde gerçekleşmektedir. Entegre tesislerimizde yıllık üretim kapasitesi 6 milyon ton civarındadır. Mevcut kapasite artırımı çalışmaları ile kapasitenin yakın gelecekte artması beklenmektedir. Demir çelik sanayiinde toplamı enerji tüketiminin %70-80'i taş kömürü, %8-10'u elektrik ve % l0-15'1 petrol ve doğal gaz tüketiminden oluşmaktadır. Entegre tesislerde yan ürün olarak elde edilen kok gazı, yüksek fırıngazı ve çelikhane gazı büyük ölçüde tesis içinde yakıt olarak değerlendirilmektedir veya enerji verimliliğinin arttırılması için değerlendirilmesi planlanmaktadır. Bu tesisler daha çok cevherden sıvı çelik üretimi yapmaktadır. Üretimde enerji verimliliği, hammadde başta olmak üzere bir çok faktör, uygulama ve teknoloji ile bağıntılı olarak değişmektedir. 5.3.2.1 Entegre Demir Çelik Tesisleri Aşağıdaki tabloda, bazı ülkelerin üretim tiplerine göre ton ham çelik başına tükettikleri enerji miktarı görülmektedir. Ülkemiz entegre demir çelik tesislerinde biri olan ERDEMİR' in üretim şekline en yakın olan Japonya'nın enerji tüketimi, bir çok önlem alarak bugüne kadar %34 tasarruf sağlamış olan ERDEMİR' den %28 daha azdır. 502 Tablo 6: Gelişmiş Ülkelerde Çelik Yapım Sürecine Göre Enerji Tüketimi (*) ÜLKELER GJ/THÇ** PİK ÜRETİMİ (%) ÇELİK ÜRETİMİ HADDELEME VE DİĞER (%) (%) AVUSTURYA 18.3 71.1 0.6 28.4 FİNLANDİYA 17.9 60.7 10.7 28.7 FRANSA 20.0 63.5 10.3 26.2 ALMANYA 17.6 63.4 8.6 27.9 JAPONYA 18.1 60.3 9.4 30.2 LÜKSEMBURG 18.7 65.3 9.4 25.2 HOLLANDA 17.3 81.5 1.3 17.2 İSPANYA 14.3 45.0 25.9 29.3 İSVEÇ 18.0 45.0 16.4 38.5 İNGİLTERE 19.4 61.2 9.9 28.9 A.B.D. 25.4 47.0 10.0 43.0 ERDEMİR/ 24.0 57.7 8.0 34.6 TÜRKİYE(***) * IISI 1996 ** THÇ: TON HAM ÇELİK *** 1996/11 AY DEĞERLERİ KAYNAK: WEC Verimlilik Oturum Kitabı, sf. 220, Tablo 1 ERDEMİR değerleri ise ülkemizdeki en verimli değerleridir. Aşağıdaki tabloda sektör ortalama spesifik enerji tüketimlerinin karşılaştırılması görülmektedir. 503 TÜRKİYE ERDEMİR ORTALAMA (TEP) (TEP) HAM DEMİR 0.66 0.64 HAM ÇELİK 0.68 0.61 DİĞER MİNİMUM (TEP) 0.50 0.61 SEKTÖR ÜLKELER MAKSİMUM (TEP) 0.56 0.48 TEP : Ton Eşdeğer Petrol KAYNAK : WEC Verimlilik Oturum Kitabı, sf 220 Tablo 3 ERDEMİR’de enerji verimliliğini arttırmak üzere uygulanan projeler, ana başlıklar halinde şu şekilde sıralanabilir: • Otomatik kontrol, ölçme ve izleme enstrümantasyonu ile desteklenen etkin enerji yönetimi, • Yüksek fırınlar soba modernizasyonu ve soba atık geri kazanımı • Yüksek fırınlara kömür enjeksiyonu, • Çelikhane kapasite artırma ve modernizasyonu, • Sıcak haddehane modernizasyonu slab fırını sıcak şarj uygulaması, • Yüksek fırın gazı holderi (YFG), çelikhane gazı holderi (ÇGH) ve YFG+ÇGH karışım sistemi ve çelikhane gazı geri kazanım tesislerinin devreye alınması (Çelikhane gazı temizlenerek sadece Erdemir'de kullanılmaktadır), • 5 No’ lu buhar kazanı modifikasyonu ile tesiste yan ürün olarak üretilen gazların kullanılması, • Kojenerasyon tesisinin kurulması, 2x38 MW elektrik ve atık baca gazı kullanımı ile 14 barlık basınçta proses buharı üretilmesi. Tamamlanan bu projelere ilave olarak aşağıdaki belirtilen bazı projelerin uygulanması sonucunda da önemli tasarruflar hedeflenmektedir: • Mevcut diğer kazanların modifikasyonu ile kazanların yüksek fırın gazı yakma kapasitelerinin arttırılması, • Elektrik enerjisi ve gazlarla ilgili Scada sisteminin kurulması çalışmaları (devam etmektedir), 504 • Üniteler bazında enerji yönetimi ile ilgili enerji komitelerinin kurulması ile enerji tasarrufuna daha fazla odaklanılması. Entegre Demir Çelik tesislerinde diğer enerji tasarrufu sağlayıcı uygulamalar: Kuru kok söndürme (sadece İskenderun Demir Çelik tesislerinde mevcuttur) • Direkt indirgeme yöntemlerinin (Iscar, Demir karbür, Sünger demir) kullanılması Plazma ergitme (kısmen indirgenmiş demir tozlarının pulverize kömürle indirgenmesi) • Soğuk bağlama (COBO - peletleme tekniği) • Doğrudan haddeleme (tavlama yapmadan) Diğer entegre tesislerimizde de benzer projelerin uygulaması ile spesifik enerji tüketiminde azalma sağlanması için önemli bir potansiyel mevcuttur. 5.3.2.2 Ark Ocaklı Tesisler Ülkemiz demir çelik sektörünün en önemli üreticisi olan ark ocaklı tesislerde, yılda elektrik olarak 5 milyar kWh ve yakıt olarak da toplam 700 bin TEP civarında enerji tüketilmektedir. Hemen hemen tamamı AC ark ocağı ile üretim yapan bu tesisler, yüksek enerji tüketiminin yanısıra harmonik üretimi ve reaktif güç tüketimi gibi nedenlerle elektrik şebekeleri üzerinde olumsuz etkilere sahiptir. Son yıllarda DC ark ocağı uygulamalarının getirdiği avantajlar, ülkemiz sanayi tesisleri tarafından dikkatle izlenmektedir. Henüz 2 tesisimiz bu teknolojiyi uygulamıştır. Şebekeye daha az olumsuz etki yaratması ve %5'e kadar enerji verimliliği artışı gibi avantajlarına rağmen, tek elektrot olması nedeniyle ark kontrolu zorlaşmaktadır. AC ark ocakları ile aynı yatırım miktarına sahip DC ark ocakları teknolojisinin yakın gelecekte yaygın kullanımı muhtemeldir. Diğer yandan hurda ön ısıtma ile şu anda sağlanan ton başına 25-35 kWh enerji tasarrufunun, Avrupa Birliği'nin çevresel sınırlamaları nedeniyle yasaklanması, yeni teknolojilerin mevcut AC ark ocaklarına adaptasyonunu gerektirecektir. Bu tesislerin, harmoniklerin giderilmesi için regülatör üniteleri ve filtre sistemleri ve kompanzasyon ünitelerinin iyileştirilmesi ile ilgili problemleri çözecek yeni teknik yöntemler arayışı içinde oldukları ve bazı tesislerin kendi kontrol sistemlerini geliştirdiği görülmektedir. Birim üretim değerlerine bakıldığında, ülkemizde 380-500 505 kWh/ton sıvı çelik spesifik enerji tüketimi ile üretim yapıldığı görülmektedir. Yurtdışında bu değer 320 kWh/ton'a kadar düşürülmüştür. Bu tesislerin enerji tüketim verimliliğini artırarak bu sektörün elektrik talebi ve yakıt tüketiminin azaltılması için başlıca önlemler, şunlardır: • Hurda ön ısıtmasının iki veya üç gözle yapılması, • • Tav fırınına sıcak kütük şarjı, Tesiste mevcut fırın atık ısılarının yanına havası ön ısıtmasında, sıcak su eldesinde veya soğuk kütüklerin ön ısıtılmasında kullanılması, • Sürekli döküm yapılması , • İthal edilen hurdanın kalitesinin yüksek tutulması, • Köpüklü curuf uygulaması, • Pota fırını ınetalurjisi uygulanması, • Dipten döküm alma , • Doğrudan haddeleme (tavlanmadan), • UHP (Ultra High Power) elektrik ark fırını kullanımı, • Bilgisayar destekli proses kontrol ve otomasyonu, • Oksi-yakıt brülörler ile oksijen ve yakıt enjeksiyonu, • Oksijen enjeksiyonu, • Fırın duvarları ve çatısının su veya buharla soğutulması, • Direk indirgenmiş demir (DRI) kullanımı, 506 • Fırın kapatma sistemleri, • Ark ocağı atık gazlarının soğutularak atık ısısının geri kazanılması ve buhar eldesi. 5.3.3 Çimento Sektörü 1824 yılında İngiltere'deki ilk üretimden bu yana "çimento" tüm dünya ülkelerinin en önemli inşaat malzemesi olmuştur. Su ile temasında sertleşen ve etrafındaki maddeleri birbirine yapıştırma özelliğine sahip bu hidrolik bağlayıcının dünyadaki üretimi 1996 yılı sonu itibariyle 1 .48 milyar ton olmuştur. Dünya çimento üretiminde, Çin 490 milyon tonla 1. sırada yer almakta olup, Türkiye 35.8 milyon tonla 7. sırada yer almaktadır. Cembureau (Avrupa Çimento Üretim Birliği) ülkeleri arasında Türkiye üretim açısından 1. sıradadır, İtalya 33.8 milyon tonla 2. sırayı, Almanya 31.5 milyon tonla 3. sırayı almaktadır. Ülkemizde 40 çimento, 11 öğütme tesisi olmak üzere 51 fabrika bulunmaktadır. Bu fabrikaların hepsi özel sektöre aittir. Bu fabrikalardan Çorum (1.Fırın) ve Bartın yaş sistemle üretim yapmakta, diğer fabrikalar kuru sistemle üretim yapmaktadır. Klinker üretimi kilogram başına 923 kcal enerji tüketimi ile gerçekleştirilmekte olup, çimento üretiminde ise 108 kWh/ton elektrik tüketimiyle ülkemiz Avrupa ülkeleri arasında iyi denilebilecek düzeydedir. 53.3.1 Çimento Teknolojisindeki Yenilikler 5.3.3.1.1 Isı Enerjisinin Daha Tasarruflu Kullanılmasına Yönelik Teknolojiler Ön kalsinasyon sistemi bir Japon firması tarafından, konvansiyonel döner fırın sinter bölgesinde radyasyon yolu ile oluşagelen ısı transferinin ekonomik olmasına rağmen kalsinasyon bölgesindeki ısı transferinin, çok ağır gelişmesi ve rasyonel olmayışından yola çıkılarak geliştirilmiş bir teknolojidir. Ön ısıtıcı sistemde sıcak gazlar içinde dolanan farin taneciklerinin 25 saniye gibi çok kısa bir zamanda 30°C'den 800°C'a ısınmasından esinlenerek sıcak gazlar içinde dolanan farin tanecikleri kalsinasyon kamarası denilen ek bölümde yakıt vermek suretiyle ısı transferine tabi tutulmakta ve kalsinasyonu %90 oranında gerçekleşmektedir. Kalsinasyon için gerekli ısının bu yolla fırın dışına aktarılması sonucunda, fırına 507 yüklenen ısı ile klinkerleşme gücünün 2 misli artması ve fırın çapı ile sınırlanmış azami üretim kapasitesinin günde 10,000 ton kadar yükselmesi imkan dahiline girmiştir. Sistem ayrıca ısı tüketimini %S-10 civarında azaltmaktadır. Bu uygulama çimento fırınlarında düşük kalorili kömürlerin yakılması imkanını da getirmektedir. Ülkemizde bu teknolojiye sahip fabrikaların sayısı 9 olup, bu sayı yapılan teknolojik yatırımlarla giderek artmaktadır. 5.3.3.1.2 Elektrik Enerjisinden Tasarruf Sağlayan Yenilikler Çimento üretiminde kullanılan elektrik enerjisinin %40'ının öğütme sistemlerinde tüketilmesi, üreticileri daha az enerji kullanan öğütme metodları aramaya sevketmiş ve yeni eziciler, kırıcılar, öğütücüler, separatörler ve değirmenler geliştirilmiştir. Çarpmalı kırıcılar, şakuli tipli valsli değirmenler veya yüksek basınçlı merdaneli öğütücüler, klinker, kömür veya hammadde öğütmede %15-20 enerji tasarrufu sağlamaktadır. Bazı Avrupa ülkelerinde, yüksek randımanlı separatör uygulamaları ile; %15-20 enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Yeni uygulanan yoğun-faz pnömatik taşıma sistemleri, asgari gaz ivmesi ve azami yükle katıların taşınması prensibine dayanmakta olup enerji tüketiminde önemli tasarruf sağlamaktadır. Sistem %50 daha az hava gerektirdiği için kompresör kapasiteleri küçültmekte, toz tutma yüzeyleri daralmakta, boru hattının çapı azalmakta, dolayısıyla inşaat yatırımı da düşmektedir. 5.3.3.1.3 Katkı Maddeleri Kullanımında Artış Enerji tasarrufunun önemli bir yolu da çimentoda katkı maddeleri kullanılmasıdır ve bu yöntem giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Dünya üretiminin yaklaşık 1/3'ü katkılı çimentodur ve çimento üretiminde kullanılan uçucu kül miktarı 40 milyon ton'dan fazladır. Bilhassa Akdeniz ülkelerinde tabii puzolanlar da artan ölçüde kullanılmaktadır. Hatta bazı ülkelerde çimentoya, enerji tasarrufu amacıyla, silika tozu, kalker tozu gibi atıl dolgu maddeleri bile katılmaktadır. 53.3.1.4 Diğer Verimlilik Artırıcı Teknikler Seramik teknolojisindeki son gelişmeler, seramiklerin çimento sanayiinde refrakter olarak kullanılabilmeleri konusunda yeni ufuklar açmıştır. Fırın duruşlarının büyük bölümü refrakter malzemenin tahribinden kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla daha dayanıklı ve güvenilir refrakter malzemeye olan ihtiyaç, çimento sanayi için acil bir 508 konu olmuştur. Son zamanlarda manyezit- krom tuğlalar yerlerini Periklas-Spinel teknolojisi ile üretilen tuğlalara bırakmaktadır. Bunların üretimi pahalı olmakla birlikte normal krom-manyezit tuğlalara nazaran 2-3 misli daha dayanıklıdırlar. Bir diğer gelişme, ön ısıtıcıların astarlanmasında zirkonium-silikat esaslı refrakterler kullanılmasıdır. Bunlar fırın duruşlarını azaltmakta, daha az işçilik gerektirmekte, dolayısıyla maliyetlerinin yüksekliğini telafi etmektedirler. Çimento üretiminde proses kontrol ve kalite kontrol fonksiyonları için bilgisayar kullanımı ve otomasyon büyük hız ve verimlilik getirmiştir. Bilgisayarlar çimento sanayiinde muhasebe, personel, envanter ve stok kontrolu, kompüterize koruyucu bakım gibi birçok idari ve teknik fonksiyon için de kullanılmaktadır. Özelleştirilen fabrikalarda kurulan yeni tesisler bu sistemlerle donatılmış olarak inşa edilmekte ve mevcut tesislere de bu sistemler ilave edilmektedir. 5.3.3.1.5 Toz Tutma ve Çevre Kirlenmesi Kontrolü Çimento sanayiinde en göze batan çevre kirlenmesi proses esnasında çıkan tozdur. Toz tutma sistemlerindeki büyük gelişmeler sonucu, toz yayılması son on yılda önemli ölçüde düşürülmüştür. Özellikle soğutma kuleleri ile donatılmış elektrostatik çöktürücüler, ön ısıtıcılı/ön kalsinatörlü fırınlarda en uygun ve güvenilir performansı vermektedirler. Fırınlarda NOx oluşumunu asgariye indirecek yeni brülör tipleri de geliştirilmiştir. 5.3.3.1.6 Diğer Gelişmeler Son yıllarda çimento sanayinde, yüksek hızlı döner paketleyiciler, yükleme, taşıma, depolama, shrink paketleme sistemleri gibi çok sayıda yenilik uygulamaya konulmuştur. Akışkan yataklı yakıcılar, atıkların kullanımı, daha geniş kullanım alanına sahip süper beton üretimi gibi birçok yenilik çimento sanayiinde yaygın olarak kabul görmektedir. Çimento sanayii, problemlerinin çözümünde bilim ve teknolojiden en geniş şekilde yararlanan sanayi kollarından biridir. 5.3.3.2 Çimento Sektörümüzün Mevcut Durumu ve Belli Başlı Ülkelerle Kıyaslanması 509 • Kapasite açısından: Avrupa ülkeleri ile kıyaslandığında Türkiye kapasite açısından İtalya, Almanya, İspanya'nın ardından 4. durumdadır. • İhracat Açısından: Avrupa ülkelerinin hemen hepsinde çeşitli derecelerde atıl kapasite bulunmasına rağmen Avusturya, Finlandiya, Almanya, İtalya ve Hollanda dışındaki ülkelerin hepsinde üretim iç talebin üzerindedir. Bu da Cembureau ülkelerinin net bir çimento ihracatçısı olduğunu göstermektedir. Türkiye Yunanistandan sonra Avrupanın en büyük çimento ve klinker ihrâcatçısıdır. Teknoloji Açısından: Modern ve enerji açısından verimli bir çimento fabrikası şu teknolojileri içermelidir: Kapasitesi yılda 1,000,000 Ton mertebesinde olmalıdır. Farin, valsli presler veya yüksek verimliliği olan separatörlü şakuli değirmenlerle ve siklon kulesinden alınan ısının kullanıldığı kurutma sistemleri yardımı ile hazırlanmalıdır. Klinker, hammaddenin nem içeriğine göre 4-6 kademeli, ön ısıtıcılı siklon kuleli ve ön kalsinatörlü kısa döner fırınlarda pişirilmelidir. Klinkerin ısısı ikinci ve/veya üçüncü yakma havası olarak fırına ve ön kalsinatöre verilmelidir. Klinkerin soğutulması, ızgaralı soğutucularda gerçekleştirilmelidir. Klinkerin öğütülmesi, modern valsli preslerde yarı mamul veya mamul olarak yapılmalı, bilahare, yüksek verimliliği olan separatör/desaglomeratör ve son olarak bilyalı değirmenler kullanılmalıdır. • 5.3.4 Seramik Sektörü Toprak ana sanayi grubu içinde bulunan seramik sektöründe, yer ve duvar karosu, seramik sağlık gereçleri, sofra ve süs eşyaları ile elektroporselen olmak üzere dört farklı üretim gerçekleştirilmektedir. 1991 yılı enerji tüketimi istatistik çalışmaları sırasında sadece 12 fabrikaya ait değerler kullanılmasına karşılık, seramik sektöründe faaliyet gösteren fabrika sayısı, küçük atelye ve imalathaneler hariç, 29'a ulaşmıştır. Küçük atelye ve imalathanelerle birlikte 1997 yılı itibarı ile seramik sektöründe faaliyet gösteren tesis sayısı 183'tür ve imalat sanayiindeki toplam tesis sayısının %6.862'sini teşkil etmektedir. Ülkemiz sanayi sektörü toplam enerji tüketimi içinde %4.51 (627789.71 TEP) paya sahiptir ve seramik sektöründe enerji maliyetlerinin toplam üretim maliyetleri içindeki payı %25-35 civarındadır. EİE İdaresi Genel Müdürlüğü tarafından 1990 yılında yürütülen Dünya Bankası projesi sırasında, üç seramik fabrikasında enerji tasarrufu çalışması yapılmıştır. Yabancı uzmanlar tarafından yapılan bu çalışmalarda, bu üç fabrika için ortalama %43 civarında enerji tasarrufu potansiyeli belirlenmiştir. Daha sonra EİE elemanları tarafından üç fabrikada yapılan çalışmalar sonucunda ortalama enerji tasarruf oranı % 29.5 olarak belirlenmiştir. 510 Bu çalışmalar sırasında belirlenen tasarruf önlemleri ve öneriler şu şekilde sıralanabilir: • Fırınlarda, sıcak boru hatlarında ve yakıt tanklarındaki yalıtım seviyelerinin iyileştirilmesi; • Fırınların egzost gazlarındaki ve soğutma havası egzost çıkışındaki atık ısılardan yararlanılması; atık ısının "spray dryer" larda kullanılması; • Kurutucularda nem kontrolü ile egzost çıkışındaki nem miktarının maksimize edilmesi ve kurutucularda verimin artırılması; • Isı geri kazanım sistemlerinin kurulması; . • Sıvı yakıt yakan tünel fırınların LPG ya da doğal gaz yakan "roller" fırınlarla değiştirilmesi; • Baca gazı kontrol sistemlerinin kurulması; • Tünel fırınlarda arabaların fırına giriş/çıkışı sırasında meydana gelen sızıntı kayıplarının ve arabalarca taşınarak kaybolan ısıların minimize edilmesi için, arabalara mümkün olan maksimum yüklemenin yapılması ve arabaların mümkün olduğunca hızlı bir şekilde yeniden fırına girmesinin sağlanması, araba ağırlıklarının uygun refraktör kullanılarak azaltılması; Havanın "spray dryer"larda ön ısıtılması; • Yakıt tipinin değiştirilmesi; Döküm bölümlerinde sıcaklık ve nem kontrolü yapılması; Frit fırınları atık ısılarının, yanına havası ön ısıtmasında kullanılması. Bugün seramik sektöründe enerji tasarruf potansiyeli, özellikle doğal gazın yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmasıyla gerçekleştirilen yatırımların sonucunda, kısa vadeli önlemlerle % 10- 12, uzun vadeli önlemlerle %15-20 civarındadır. 1991 yılı enerji tüketimlerine göre bunun enerji olarak karşılığı 79.7 bin TEP, parasal karşılığı ise 16.56 milyon $'dır. Seramik sektöründe ana proses kademelerinden olan ve enerjinin en yoğun olarak tüketildiği proses kademeleri diyebileceğimiz hammadde hazırlama ve pişirme proseslerinde tüketilen enerji miktarlarını Avrupa ülkeleri ile karşılaştırdığımızda aşağıdaki sonuçlar ortaya çıkmaktadır. 511 Roller fırınlar için pişirmedeki ısı enerjisi tüketimi 1-1,93 GJ/Ton arasında iken, ülkemizde yer karosunda 2.2 GJ/Ton, daha fazla enerji tüketilen granit üretiminde ise 2.7 GJ/Ton mertebesinde olmaktadır. Hammadde hazırlamadaki kurutma işlemi için ısı enerjisi ihtiyacı, Avrupa ülkelerinde 1.5-1.9 GJ/Ton iken bizde 2.01 GJ/Ton civarındadır. Tesisin toplam enerji tüketimleri karşılaştırıldığında ise; Avrupa ülkelerinde en üst değerler alınarak bu rakam 6.78 GJ/Ton olarak bulunmakta, ülkemizdeki bir fabrikada ise yaklaşık 8.22 GJ/Ton olmaktadır. Bu karşılaştırmalar sonucu görülmektedir ki bazı proses kademeleri için bizim değerlerimiz Avrupa ülkelerindeki uygulamalara çok yakın ya da onların sınır değerleri arasında olmakla birlikte, bu sektörde genel olarak en az %17.5 oranında bir iyileştirme potansiyeli mevcuttur. Bu : sektörde enerji tasarrufunun etkin bir şekilde sağlanabilmesi için önerilen yöntemler şu şekilde sıralanabilir. • Enerjiden direkt olarak sorumlu bir enerji yöneticisinin tayin edilmeli ya da bir enerji komitesi oluşturulmalıdır. • Fabrikanın tüm üretim ünitelerinin enerji tüketimleri ve üretim miktarları ayrı ayrı izlenmeli, hatta mümkün olduğu takdirde, özellikle büyük ekipmanlarda ekipman bazında izlenmelidir. • Belirli periyodlarla fabrikada enerji balans çalışmaları yapılmalı, üretim miktarları ile enerji tüketimleri arasındaki ilişki grafikler yardımıyla sürekli olarak izlenmelidir. • Düzenli olarak yanına kontrolleri yapılmalıdır. • Mutlaka izolasyon yapılmalı, yetersiz olan yerlerde de iyileştirilmelidir. • Makineler mümkün olduğunca maksimum kapasitede çalıştırılmalıdır. • Mevcut imkanlar çerçevesinde otomatik kontrol sistemlerine geçilmelidir. • Üretimi oldukça pahalı olan basınçlı hava kullanımında kaçaklar önlenmeli, basınçlı hava üretimi ve tüketiminde verimi arttırıcı önlemler uygulanmalıdır. • Kurutucularda verimin arttırılması ve enerjinin rasyonel kullanımı için, kurutucu egzost çıkışındaki nem oranı maksimize edilmelidir, bu sayede kurutucu bazında %15'e, tesis bazında ise ortalama %1.5'a varan enerji tasarrufu sağlanabilir. • Araba ile yükleme yapılan tünel fırınlarda, araba kullanımına dikkat edilmeli, arabalarda ısı taşıyıcı malzeme kullanımından kaçınılmalı, arabalara mümkün olan maksimum yükleme yapılmalıdır. 512 • Bilgisayar destekli koruyucu bakım, onarım için duruşlar azaltılmalıdır. • Fırınlarda büyük rakamları bulan baca kayıplarının önlenmesi amacıyla, bu gazların ısısından yararlanılmalı, atık ısı geri kazanım sistemleri kullanılmalıdır. Bu uygulamalarla, fırın bazında %20'lere, tesis bazında ise %6'lara varan tasarruf potansiyeli mevcuttur. Eski tünel fırınların yeni Roller fırınlarla değiştirilmesi sonucunda, fırın enerji tüketiminde %50'nin üzerinde bir azalma söz konusudur. Bilhassa "spray dryer"ların bulunduğu ve sıcak gazların direkt olarak kullanılabilme imkanının olduğu Seramik sektöründe gaz türbinli kojenerasyon sistemlerinin kurulması ile ülkemizin elektrik üretimi için kullandığı birincil enerji tüketiminde %50'nin üzerinde tasarruf sağlanması söz konusudur. Konvansiyonel sistemlerde 1 kWh elektrik üretimi için ortalama 2400 Kcal civarında enerji tüketilirken, kojenerasyon tesisinin atık ısılarının da kullanılması ile; fabrikanın I kWh elektrik üretimi için birincil enerji talebi 1100 Kcal mertebesine kadar inebilmekte, ayrıca kesintisiz ve güvenilir elektrik enerjisi sağlanması dolayısıyla enerji kesintilerinin sebeb olabileceği üretim kayıpları da önlenmiş olmaktadır. • • Seramik sağlık gereçleri üretimi yapılan fabrikalardaki dökümhanelerde kullanılan alçı kalıbın verimli olarak kurutulması ile aynı ısıl enerjiyi kullanarak günlük döküm sayısını iki, hatta üç katına çıkarmak mümkün olmaktadır. Bu uygulamayı gerçekleştirebilmek için; i. Dökümhanede kullanılan klima santralları iklimlendirme ve kurutma modunda çalışabilecek şekilde seçilmeli ve otomasyon sistemi bu çalışmaya uygun olarak tesis edilmelidir. ii. Sıcak ve kuru havayı üstten üflemek yerine doğrudan alçı kalıpların altından ve yüksek hava hızlarında üflemek gerekmektedir. iii. Kütle transferini artırmak için alçı kalıplarının üzerinde aksiyal vantilatörler kullanılmalıdır. iv. Fan motorları kurutma ve iklimlendirme modları gözönünde tutularak hız kontrollu olarak seçilmelidir. • Klima santrallarında özellikle kurutma modunda dışarı atılan sıcak ve nemli havanın (45'C, %40) duyulur ve gizli ısısından faydalanmak için plate tipi, havadan havaya ısı değiştiricileri kullanılmalıdır. • Yarı mamul kurutma ve alçı kurutma odalarında kullanılacak sirkülatörler ile kurutma süresi aşağı çekilerek enerji tasarrufu sağlanmalıdır. Ana hatlarıyla yukarıda tanımlanan bu sistemlerin kullanılması ile özellikle dökümhanede ısı enerjisi tüketiminde % 100 tasarruf sağlanabilir. Ayrıca alınan bu 513 önlemlerle yarı olmaktadır. mamul üretimindeki fireleri önemli oranda azaltmak mümkün Son olarak seramik sektöründe uygulanmakta olan yeni teknolojiler: • • • • • • • • • • • Fırın sıcaklık kontrol sistemleri Kurutucu sıcaklık kontrol sistemleri Granit masse hazırlama tesisleri Granit şekillendirme tesisleri, Basınçlı döküm makineleri, Elektrostatik sırlama Robotlar PLC (SIMATIC 55), İnvertörler Programlanabilir (PLC) sistemler Optik kontrollar olarak sayılabilir. Bunların bir kısmı ülkemizdeki seramik tesislerinde başarı ile uygulanmaktadır. 5.3.5 Cam Sektörü 5.3.5.1 Cam Sektöründe Enerji Tasarrufu Çalışmaları Cam üretiminde enerji kullanımı, cam türüne göre değişmekle birlikte, üretim maliyetinin yaklaşık % 15-20'si oluşturmaktadır. Sektörün büyük bölümüne hakim Türkiye Şişe Cam Fabrikalarında 1981'den günümüze sürdürülen çalışmalarla, 1 kg cam üretimi için enerji tüketimi %32 azaltılmıştır. 1981 yılında I kg cam için tüketilen enerji miktarı 430 gr fuel-oil eşdeğeri iken, bu değer 1995 yılı itibarı ile 294'e inmiştir. Bu önemli tasarrufun yıllar içerisinde getirdiği birikim 750,000 ton fuel-oil karşılığı olup, bunun günümüz fiyatlarıyla karşılığı 28.5 Trilyon TL'dır. Önemli miktardaki bu kazanım, enerji tasarrufunun temel ilkeleri olan • Enerjinin etkin kullanımı • Enerjinin korunması • Atık enerjinin değerlendirilmesi • Bakım ve onarım 514 konularının tümündeki çalışmalarla gerçekleştirilmiştir. Camı endüstrisinde tüketilen enerjinin büyük kısmı (%61) fırınlarda tüketilmektedir. Bu bakımından çalışmaların ağırlığı fırınlar üzerinde olmuştur. 5.3.5.2 Kapasite Kullanımı Cam fırınlarında 1500-1600°C lik yüksek sıcaklıklarda çalışılmakta ve kullanılan enerjinin %45-50'si hiç üretim yapılmasa bile fırın içindeki cam kütlesini sıcak tutmak için harcanmaktadır. Fırınlarda tam kapasitenin kullanılması ile birim cam başına tüketilen enerji miktarı azalır, bu nedenle üretim satış ilişkisini optimum düzeyde tutacak önlemler alınarak önemli tasarruflar sağlanabilmektedir. 5.3.5.3 Otomasyon Cam fırınlarının verimliliği çok sayıda parametre tarafından etkilenmektedir. Enerji performansı en iyi düzeyde tutabilmek amacıyla otomasyondan yararlanılmaktadır. "Temperature Distrubuted Control" uygulanarak, fırın sıcaklıkları, iç basınç, yakma havası, yakıt ve hava miktarları, yakıt sıcaklığı, cam seviyesi ve fırına yüklenen harman miktarı otomatik olarak ölçülüp kontrol edilmekte ve bilgisayarla izlenmektedir. Bu tür otomatik kontrol ile %5 seviyesinde tasarruf sağlanabilmektedir. 5.3.5.4 Atık Isının Değerlendirilmesi Cam fırınlarında atık enerjinin büyük ölçüde tutulmasını sağlayan rejeneratör ve reküparatörlere rağmen, bacadan atılan gazların sıcaklığı 400-500°C dır. Bu gazlar bir atık ısı kazanından geçirilerek ihtiyaç duyulan buharın üretilmesi mümkündür. Şişe cam bünyesinde buhar üretim kapasiteleri 1-5 ton/saat arasında değişen 13 adet atık ısı kazanı bulunmakta, ve bu yolla yılda yaklaşık 11,000 ton fueloil eşdeğeri enerji tasarrufu sağlanmaktadır. 5.3.5.5 İzolasyon Cam fırınlarında enerjinin %20-30'luk kısmı duvar kayıplarını karşılamak için kullanılmaktadır. İyi bir izolasyon ile kaybolan bu enerjinin %50'sinin geri 515 kazanılması mümkündür. parametreler olduğundan, bulundurularak yapılması seviyesinin değiştirilmesi sağlanabilmektedir. Fırın ömrü ve kalitesi cam üretiminde en önemli izolasyon uygulamalarının bu kriterler gözönünde gerekmektedir. Örneğin bir float fırının izolasyon ile yılda 6,500 ton fuel-oil eşdeğeri enerji tasarrufu 5.3.5.6 Cam Kırığı Cam harmanına katılan cam kırığının (kullanılmış canı veya proses atığı) her %5'lik bölümü yaklaşık %1 oranında enerji tasarrufu sağlamaktadır. Bu bakımdan cam kırığı oranının imkanlar çerçevesinde yüksek tutulması gerekmektedir. 5.3.5.7 Elektrik Tasarrufu Enerji ödemelerinde en büyük paya sahip bulunan elektrik enerjisinin tasarrufu için de önlemler alınmalıdır. Bu çerçevede, verimsiz çalışan çok sayıda küçük kompresör daha verimli büyük kompresörlerle değiştirilmeli, basınçlı hava dağıtım sistemleri optimize edilmeli ve fan-motor uyum çalışması yapılarak değişiklikler gerçekleştirilmelidir. 5.3.5.8 Tavlama Fırınları Camın şekillendirildikten sonra kullanıma hazır hale getirilmesi için tavlanması gerekir. Tavlama fırınlarındaki radyan tüplü ısıtma sistemlerinin açık alevli sistemlere dönüştürülmesi ile kullanılan enerjiden % 80-90 oranında tasarruf sağlanmaktadır. 5.3.5.9 İşletme Koşullarının Sıkı Takibi Her üretim biriminde ama özellikle fırınlarda enerji tüketiminin diğer parametrelerle olan ilişkisinin belirlenerek işletme davranışının grafiksel olarak izlenmesiyle, herhangi bir sapma kolaylıkla görülmekte ve sapmaların sebepleri hızlı bir şekilde bulunabilmektedir. M+T (Monitoring and Targeting) diye adlandırılan bu izleme ve hedef koyma tekniği ile, normal işletme koşullarında sapmalar azaltılıp yeni bir hedef eğrisi çıkarılarak işletmenin bu hedefi yakalaması sağlanabilmektedir. 516 1985 yılı itibarı ile en gelişmiş bir cam fırınında bile 1 kg cam ergitmek için 110 gr fuel-oil eşdeğeri enerji tüketilmektedir (Şişe Cam bünyesindeki fırınlarında enerji tüketimi bu seviyededir). Ancak 1 kg cam ergitmek için gerekli olan teorik enerji miktarı (O gr fuel-oil eşdeğeridir. Yani bugün ulaşılmış teknoloji ile kullanılan enerjinin en çok %55'i cama aktarılabilmekte, geri kalan bölümü ise duvar kayıpları, baca gazı kayıpları ve fırın açıklıkları yada soğutma havası kayıpları ile yok olmaktadır. Bu kayıpların azaltılması için dünyada 2 yeni teknik üzerinde çalışılmaktadır. 1. Oxy-fuel ergitme tekniği, 2. tümüyle elektrikli ergitme tekniği. Her iki teknikte de camın ergitildiği refrakter havuz yerini korumakta, ancak fırın konstıüksiyonu değişmektedir. Oxy-fuel ergitme tekniğinde hava yerine saf oksijen kullanılmaktadır. Dolayısı ile baca gazı kayıpları azalmakta ve oksijen alevinin daha yüksek sıcaklıkta olması nedeni ile cama olan ısı transferi artmaktadır. Elektrikli ergitmede ise ergitme cama daldırılmış elektrotlarla yapılmaktadır. Türkiye Şişe Cam fabrikalarında, büyük float fırınların atık gazlarının değerlendirilerek üretilecek ucuz elektrik ile oxy-fuel ve elektrikle ergitme teknolojisine geçme imkanları araştırılmaktadır. Üzerinde çalışılmakta olan sistem şu şekilde özetlenebilir: • İki adet float cam fırınından atmosfere atılmakta olan 45 oC sıcaklıkta toplam 130,000 Nm3 baca gazları atık ısı kazanından geçirilerek buhar üretilecektir. • Gaz türbini veya motorunun atık gazları da bir atık ısı kazanından geçirilerek buhar üretilecek ve fırın gazlarından elde edilen buharla birleştirilerek bir buhar türbinini çevirecektir. Ancak burada ara kademeden işletmenin ihtiyacı olan 7 bar basınçtaki buhar çekilerek işletmeye verilecektir. • Bu şekilde fırın gazlarından azami bir şekilde yararlanılarak, işletmenin dengesiz buhar ihtiyacı karşılanacak ve atık gazların kullanılmayan bölümü elektrik üretiminde kullanılarak verimlilik artırılacaktır. Üretilecek elektriğin önemli bir avantajı oxy-fuel ve elektrikli ergitme teknolojilerine giriş için büyük bir imkan yaratması olacaktır. Muhtemel bir elektrikli fırın uygulamasını ele alırsak; 135 ton/gün kapasiteli bir fırında 120 gr fuel-oil/kg.cam enerji tüketilmektedir. Elektrikli ergitmeye dönüldüğünde 80 gr fuel-oil karşılığı enerji tüketilecektir. Fark, 1 kg cam için 40 gr fuel oil karşılığı enerjidir. Ancak elektrik de yine yakıt tüketilerek üretilecektir. Elektrik üretiminin kojenerasyon çevriminde en az 517 %75 verimle yapıldığı düşünülürse net kazanç % l2 seviyesinde olacaktır. Ayrıca fırın yapıları küçüleceğinden, ithal refrakter malzemeye yapılan yatırım da küçülecektir. Elektriğin cam teknolojisinde kullanılmasıyla tasarruf elde edilmesi için, ergitme teknolojisinin değiştirilmesi, teorik enerji tüketimi değerine yaklaşım sağlayacak yeni bir teknoloji uygulanması gerekmektedir. 5.3.6 Tekstil Sektörü 5.3.6.1 Türkiye'de Tekstil Sektörünün Durumu Türkiye'de tekstil sanayii, tüm sanayii dalları arasında hem üretim hem de ihracat bakımından en ön sırada yer almakta ve ekonomi içinde en ağırlıklı payı oluşturmaktadır. Toplam imalat sanayiindeki istihdam miktarında, bu sanayimizin payı %30'u bulmaktadır. Bu sektörde enerjinin toplam maliyet içerisinde payı %6-14 arasında, sanayi (500 TEP'in üzerindeki) toplam tüketimi içerisindeki payı ise %7.2'dir. Türk tekstil sanayi aşağıda belirtilen alt üretim konularından oluşmaktadır: • Pamuk ipliği • Pamuklu dokuma • Yün ipliği • Yün dokuma • Suni ve sentetik iplik • Suni ve sentetik dokuma • Tabii ve suni ipek ipliği ve dokuma 518 • Örme mamülleri • Halı, kilim ve benzeri eşya 1995 yılı itibari ile bu sektörün yurtdışı satışları %37 oranındadır ve 8.4 milyar$'dır. 1995 yılı istatistikleri, tekstil ve giyim sanayi yurt dışı satışlarının 5.3 milyar$ mali değer ile %65'lik bölümünün Avrupa Birliği'ne satıldığını göstermektedir. Avrupa Birliğine bu sektörde satış yapan ülkeler içinde Türkiye, Çin'den sonra ikinci sıradadır. Gümrük Birliği'nin işlerlik kazanmasından ve kota sisteminin kaldırılmasından sonra, bu sektörün pazar payında da gelişmeler olmuştur. Bu satışların 1 .4 milyar$'lık kısmı tekstil ve 3.9 milyar$'lık kısmı ise giyim tekstilleridir. Türkiye'deki 750 büyük firmanın 150'si tekstil sektöründe faaliyet göstermektedir. Bu alanda yatırımlar devam etmekte ve tesisleri genişletme, modernleştirme çalışmalarına önem verilmektedir, ancak prodüktivite hala ortalamanın altında seyretmektedir. Bu sorunun çözümü, sektörde yeni teknolojilerin kullanılmasıdır. 5.3.6.2 Tekstil Sektöründe Enerji Tüketimi Tekstil sektöründe, ürünler ve dolayısıyla proses teknolojileri önemli farklılıklar göstermektedir. Bu da enerji tüketiminin yapısında ve enerjinin toplam maliyet içindeki payında farklılıklara yol açmaktadır. Birçok tekstil işletmesinde enerji, toplam ürün maliyetinin sadece küçük bir kısmını oluşturmaktadır. Sadece son işlem bölümlerinde düşük veya orta sıcaklıkta ısı şeklinde enerji tüketimi önemli bir masraf yaratmaktadır. İplik-dokuma fabrikalarında enerji tüketimi %50 elektrik ve %50 ısı şeklinde olmaktadır. Terbiye bölümlerinde ise enerjinin %75'den fazlası ısı olarak kullanılmaktadır. 519 5.3.6.3 Tekstil Sektöründe Enerji Verimliliği Avrupa Birliği ülkeleri dışındaki ülkelerde tekstil üretimi son 5 yılda hızla artmıştır. Avrupa Birliği'nde ise tekstil sanayii üretim stratejilerinde, enerji ve çevre gereksinimleri göz önüne alınarak köklü değişiklikler yapılmıştır. Sanayinin hedefi üretimde, ısı ve elektrik enerjisi ve su tüketimini azaltacak değişiklikleri yapmaktır. Bazen en uygun yöntem, problemin daha sonraki etkileri ile hem yatırım hem de işletme masraflarını büyütmektense, problemi kaynağından yok etmektir. Bu ise, daha sonraki işlemlerin masraflarını azaltmak amacıyla daha az enerji ve su kullanan teknolojilerin bulunması demektir. Avrupa Tekstil sanayinde, ham maddeden nihai ürüne kadar tüm prosese sahip olan çok az fabrika vardır. Tekstil fabrikalarının çoğunluğu prosesin sadece bir kısmıyla uğraşırlar ve üretim periyodları kısadır. Ülkemizde ise hemen hemen tüm tekstil fabrikaları hammaddeden nihai ürün üretmektedir, bu nedenle imalat süreleri çok uzundur (ortalama 3 ay). Bu durum, bitmemiş ürüne bağlanan fonların nispeten yüksek olması anlamına gelmektedir. 5.3.6.4 Teksstil Sektöründe Enerji Verimli Teknolojiler Avrupa Birliğine üye ülkelerde tekstil sektöründeki enerji maliyeti yılda 4,000 MECU olarak tahmin edilmektedir. Bu sektörde en yüksek enerji tüketen ülkeler İtalya (%26), Almanya (%20), İngiltere (%14), Fransa (%12), İspanya (%11) ve Portekiz (%6)’ dır. Tekstil sektöründe Baskı, Boyama, Kurutma ve Son İşlem gibi büyük miktarda ısı talebinin gerekli olduğu proseslerde uygulanan teknolojiler ve bu teknolojilerin uygulanması sonucu ortaya çıkan enerji tasarruf potansiyeli ile geri ödeme süresi Tablo 8 ve 9’da görülmektedir. 520 Tablo 8: Enerji Verimli Teknolojiler Son İşlem Ortalama Tasarruf (%) (Mevcut kayıplardan) 65 30 Geri Ödeme Süresi (yıl) 2 3 50 50 2.5 2.5 Düşük Banyo Oranı Yüksek Performanslı Boyama Yastıkçıkları 25-50 3 40 3 Aktarma Yolu ile Baskı Yüksek Performanslı Bükme Yastıkçıkları Vakumlu Ayırma Radyo Frekanslı Kurutma Delikli Tambur Tipi Kurutucular Direk Yanmalı Kurutucular 60 2 40 30 30 30 30 2 3 2.5 3 2 Buhar Temizleme Sistemi Şok Buhar Sistemi Baskı Köpüklü Emdirme Temas Yoluyla Banyo Transferi Boyama Kurutma Tablo:9 Diğer Teknolojiler Sistem CHP Kazan Değişimi Direk Banyo Isıtma Proses Buhar ve Elektrik Buhar üretimi Yıkama Kurutma Sıvı Atıklarından Isı Geri Kazanımı Değişik Tipte Klima Sisteminin Optimizasyonu İklimlendirme Elektrik Motorlarında Soft Starter Değişik Tipte ve Değişken Hız Sürücüsü Kullanımı Verimli Aydınlatma Aydınlatma Armatürlerinin Kullanımı Ortalama Tasarruf (%) 30 10 Geri Ödeme Süresi (Yıl) 2-4 5 30 30 12 3-4 3 4 10 3 30 4 5.3.6.5 İklimlendirme ve Temizleme Ekipmanlarında Tasarruf Elektrostatik yük toplanmasından kaçınmak, elastikiyeti arttırmak ve iplik, dokuma ve örgü prosesleri sırasında mekanik strese karşı kopmadan işlem görmek için, tekstil elyafları (elyaf tipine göre farklı olmakla birlikte) hassas nem ve sıcaklık seviyelerine ihtiyaç duyarlar. Çalışma alanının ne kadarının bu sıcaklık ve nem seviyelerinde 521 tutulacağı göz önüne alınarak önemli miktarda enerji tasarrufu potansiyeli belirlenebilir. Elyaflar için gerekli nem, operatörler için rahatsızlık verici ve sağlıksız: olacağı için, teorik olarak nem seviyesini sadece makinelerin çevresinde muhafaza etmek yeterli olmaktadır. Bunun için iklimlendirme aygıtlarının yeni tasarımlarında hava dağıtıcıları, tekstil malzemelerinin işlem gördüğü alanlara yakın yerleştirilmektedir. Böylece hem tekstil malzemeleri hem de operatörler için optimum çalışma şartlarını sağlamak mümkün olmaktadır. Ayrıca, belirli sıcaklık ve nem seviyelerinde muhafaza edilecek havanın hacminin azaltılmasıyla da enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Tekstil iklimlendirme santrallarında nemlendirme prosesinin önemi göz önünde tutularak yüksek verimli nemlendirici sistemlerin (Tex-Fog) kullanılması için uygulayıcı ve yatırımcıların teşvik edilmesi gerekmektedir. Önemli miktarda enerji tüketen nemlendirici pompaların hız kontrollu olarak seçilmesi özendirilmelidir. İklimlendirme santrallarındaki fan motorları, yaz-kış kullanımı göz önünde tutularak, hız kontrollu olarak seçilmelidir. Bir dokuma fabrikasında, klasik havalandırma sistemi kullanılan bir oda iklimlendirmesi, makineler ve odalar için farklı şartlarda hava dağıtımının yapıldığı bir bileşik iklimlendirme ve sadece makinelerin istenen nem seviyesinde tutulduğu makine iklimlendirme sistemleri Tablo 10'da karşılaştırılmaktadır. Buradan da görüldüğü gibi, enerji ve su tüketimi, sıcaklık ve nemi belli bir seviyede tutulan havanın hacmiyle bağıntılıdır ve en düşük tüketim, makine iklimlendirmesinde gerçekleşmiştir. Tablo 10: Bir Dokuma Fabrikasındaki Enerji/maliyet Oranları kW Su Enerji/Maliyet Oranları Oda Bileşik İklimlendirme İklimlendirme (%) (%) 100 72 100 63 522 Makine İklimlendirme (%) 66 49 5.3.6.6 İklimlendirme Sistemlerinde Atıkların Uzaklaştırılması Atık yönetimi kazançlı bir metottur ve geri kazanılan malzeme değeri ile bağlantılı olarak spesifik enerji tüketiminde de azalma sağlar. Rasyonel enerji tüketimi için, atıkların sınıflandırılmaları ve geri kazanılmaları, iklimlendirme sistemleri ile birlikte düşünülmelidir. Tekstil tozları, elyaflar ve atık ürünler, hazırlama, taraklama ve iplik bölümlerindeki makinelerde açığa çıkarlar. Atık ürünler, pnömatik yolla bir merkezde toplanırlar. Bu, özellikle havanın temiz tutulmasının en etkin ve ekonomik yoludur. LTG kollektör sistemleri, atıkları makinelerden doğrudan almak ve tek tek filitreleri elimine etmek süretiyle üretim mekanlarında ısı yükünü azaltmakta ve dolayısıyla enerji maliyetlerinde tasarruf sağlamaktadır. Bu sistemin kullanılması sonucu daha küçük boyutta havalandırma sistemlerinin kullanımı yeterli olabilmektedir. Ayrıca farklı tipteki atıklar ayrılıp, sıkıştırılabilmektedir. 5.3.6.7 İpliklerin Buharlanması Tekstuare (hacimli) iplikler ve halı iplikleri için eğirme işleminden sonra çok düzenli buharla ve sabitleştirme işlemleri gerekmektedir. Düzensizliklerden kaçınmak için, buharlama tanklarındaki buharlama zamanının daha uzun tutulması ve daha fazla buhar tüketimi yaygın bir uygulamadır. Kazanlarda ve kullanılan buharda hassas sıcaklık ve nem kontrolu sağlanarak buharlama zamanı optimize edildiği takdirde, kalitede daha fazla uyumluluk ve ısı enerjisinden tasarruf sağlanacaktır. Ayrıca, "soğuk noktalar oluşmasını önlemek" ve her yerde aynı sıcaklığı sağlamak için, bu tanklar etkili bir şekilde izole edilmelidir. 5.3.6.8 Flayer'siz İplik Üretimi İplik eğirme prosesinin nihai safhasında genellikle iki tip makine kullanılır. Flayer ve halkalı veya OE-iplik makinesi. Gerçekte, teknolojik olarak belirli bir rolü olmayan sadece yardım olarak görev yapan flayer, iplik makinelerine bobin hazırlama safhası olarak da düşünülebilir. Halkalı iplik makinelerine monte edilmiş otomatik ayarlanabilen çekme sistemleri kullandığı takdirde flayerlerin kullanımına gerek kalmaz. Bu teknolojinin kullanımıyla 523 elde edilen ilk sonuçlar çok başarılıdır. Bu teknolojiyi kullanan fabrikalar, düzgün ve ince iplik üretimi yaptıklarını ileri sürmektedirler. Flayerin kapladığı alandan yapılan tasarrufun yanı sıra, işletme masraflarında da azalma olmaktadır. Bu sayede nihai iplik üretim safhalarında tüketilen elektrik enerjisinde %26'lık bir azalma olacağı tahmin edilmektedir 5.3.6.9 Polyester İplik Üretimi Büyük polyester iplik üretim tesislerinde kullanılan soğutma gruplarının (40,00070,000 kW) seçiminde, büyük elektrik tüketimleri göz önünde tutularak, kojenerasyon sistemi ile uyumlu çalışan absorbsiyonlu çalışma sistemlerinin seçimi konusunda yatırımcılar teşvik edilmelidir. Polyester iplik üretimi için zorunlu olan soğutma prosesini gerçekleştirmek için soğutucu bataryaya alternatif olarak, hava tarafı basınç kaybı ihmal edilecek düzeyde olan ve soğutulmuş su kullanan daha yüksek verimli nemlendiricilerin kullanımı özendirilmelidir. 5.3.6.10 İğlerin Hareketi Doğrudan tahrikli ünitelerde, motorlar ve iğleri taşıyan takımlar tek bir ünite teşkil eder. Kullanılan motorlar orta ölçekte ve hızları 700 Hz'e kadar ayarlanabilir alternatif akı asenkron motorlardır. Alternatif akım motorları, tasarımı, geniş kullanım aralığı ve %80'i aşan verimleri ile bu amaca en iyi uyan motorlardır. Çeşitli uygulamalar için şaft gücü 100-400 watt arasında olan çeşitli motorlar mevcuttur. Motorlar, sargı sıcaklığı 100oC'i aştığı zaman devreyi kesen ısıl koruyucularla teçhiz edilmiş olmalıdır. Makineyi besleyen ve kontrol eden frekans değiştiriciler (değişken Hız Sürücüler) mevcuttur. Bu sürücüler ayarlama sistemlerinde asenkron motorların kullanımını mümkün kılar. Elektronikte son gelişmeler sonucunda %98'den yüksek verimliliğe sahip sürücüler mevcuttur. 524 5.3.7 Kağıt Sektörü Kağıt sektöründe ülkemizde gerek odundan, gerek selülozdan kağıt üretimi yapan yaklaşık 40 adet fabrika mevcuttur. Sektörde tespit edilen fabrikaların 33’ü özel sektöre, 7’si ise SEKA’ya aittir. Ayrıca SEKA'ya ait bir tesiste sadece selüloz üretilmektedir. Yaklaşık kapasite kullanım oranlan, SEKA için %81, özel sektör için %64.1 olarak tesbit edilmiştir. Kağıt sektöründe çeşitli prosesler uygulanmaktadır. Bunlar; • Odundan kağıt üretimi • Selülozdan kağıt üretimi şeklinde gruplandırılabilir. Odundan kağıt üretimi beş safhada gerçekleşir. Bu safhalar: 1. Odunun hazırlanması 2. Hamur yapma 3. Ağartma 4. Kimyasal kazanım 5. Kağıt yapımıdır. Odundan kağıt üretilmesi, odunun yongalanması, pişirilmesi ve selülozun ayrılması gibi işlemlerin uygulanması nedeniyle, selülozdan kağıt üretimine oranla daha fazla enerji tüketmekte, uygulanan proses sayısı da fazla olduğu için uygulanabilecek iyileştirme önlemleri ve elde edilebilecek tasarruf miktarları da daha fazla olmaktadır. Selülozdan kağıt üretimi, daha maliyetli olmasına karşılık enerji tüketimi açısından incelendiğinde, gerek elektrik enerjisi gerekse ısı enerjisi açısından daha avantajlı olmaktadır. 5.3.7.1 Proses Teknolojileri Ülkemiz kağıt sektöründe teknolojideki yeni gelişmelerin uygulanması ile önemli ölçüde enerji iyileştirilmesine gidilmesi ümit vericidir. Daha ileri hamur hazırlama işlemlerinin gelişmesi beklenmektedir. Bunlar, çürük odun mantarlarından çıkan 525 enzimlerin kullanımıyla canlı hamurlama, fermantasyonla kimyasal hamurlama ve organik çözücü kullanarak hamurlama olarak sayılabilir. Kağıt yapımının bir seri prosesten oluşması nedeniyle üretim prosesinin her kademesinde, değişen oranlarda olmak üzere; enerji tasarruf imkanları mevcuttur. Kağıt yapımı proses teknolojilerinde enerji tasarruf potansiyeli %10 civarındadır. Tablo 11'de en fazla enerji tasarrufu sağlayacak teknolojiler görülmektedir. Tablo 11: Kağıt Sektöründe En Fazla Enerji Tasarrufu Yapılabilecek Teknolojiler Proses Kademesi Arıtma ve Kurutma Su Uzaklaştırma Stok Hazırlama ve Şekillendirme Su Uzaklaştırma Presleri Kurutma Enerji Tasarrufu Sıcak Presleme Proses Kurutma Etekli Pres/Arıtıcı Yüksek veya Orta Yoğunlukta kağıt hamuru Geniş Enli İnceltme Presleri Kontrollu İnceltme Presleri Temassız Kurutma Silindirleri Yüksek Verimli Tamamıyla Kapalı Çevrim Davlumbaz İnfrared Sistemler Yeni bir teknoloji olan kağıt üretiminde havasız kurutma yöntemi kullanılmasıyla %35 tasarruf sağlanabilir. Bu sistemde, sürekli sistem olması nedeniyle, kağıt makinelerine giriş ve çıkışta çok iyi sızdırmazlık sağlanması gerekmektedir. Bu da uygulanmadaki en önemli zorluk olarak görülmektedir. ABD hamur ve kağıt sanayi, yapılan iyileştirmelerle 1972-1985 yılları arasında enerji yoğunluğunu %36 oranında azaltabilmiştir. Kağıt üretimi proses kademelerinde ve buhar üretimi, dağıtımı gibi alanlarda elde edilebilecek yaklaşık tasarruf oranları aşağıda verilmiştir: • Oksijen trim kontrol sisteminin kurulması ile %2 - 7.5, • Yanma kontrolü için O2 ve CO analizörlerinin kurulması ile %3 - 5 , • Kurutucu çıkışında kuru madde oranının yükseltilmesi ile %6 - 12, • Pres kısmındaki çıkış nem oranının düşürülmesi ile %12.5 - 13, • Nem gramaj kontrolünün yapılması ile %15 – 25, 526 • Kapalı kurutma havalandırma sisteminde muhtelif önlemlerle bakımı vc temizliği, • Yaş hava atık ısısının geri kazanımı (ısıtıcı boruların izolasyonu vb.) %2 - l2, (Eşanjörlerin 5.3.8 Kimya Sektörü Dünyada kimyasal hammadde üretimi, endüstriyel enerjinin %5'ini kapsar. Kimyasal hammadde stoklarının enerji içeriğinin yaklaşık üçte biri plastik gibi "nihai" kimyasal maddelerde bulunur. ABD'de kimyasal hammadde üretiminin %30-35 verimlilikte gerçekleştirildiği tahmin edilmektedir. Bu sektörde istenen son ürüne ek olarak, inorganik ve organik bir çok kimyasal için üretim ve saflaştırma prosesleri mevcuttur. Tüm prosesin enerji verimliliği, her aşamasının verimliliklerinin toplamı olacaktır. Ancak her aşama yeterince enerji verimliliğine sahip olsa bile, toplamı prosesin verimliliği oldukça düşük olabilir. Kimya sektöründe enerji verimliliğinin iyileştirilmesinde, temel aşamaların kısaltılması ve basitleştirilmesinden, kimyasal proses tasarımlarının iyileştirilmesine ve daha iyi teknikler kullanılmasına kadar çok sayıda seçenek vardır. Örneğin: • Proseslerde kullanılan basınç ve sıcaklık seviyelerini düşürmek ve tepkime sürelerini hızlandırmak amacıyla biyoteknoloji kullanımı, • Ürünlerin, tepkime sürelerini kısaltmak, ısı ve basınç uygulamalarını azaltmak için katalizör kullanımı (düşük yoğunluklu polietilen için düşük basınçlı katalitik sürecin, enerji ihtiyaçlarını standart sürecin %35'ine düşürdüğü belirlenmiştir), • Daha gelişmiş sensör ve ekipmanlar yoluyla proses kontrolü (Araştırmalar, daha iyi proses kontrolü ile belirli proseslerde %5-20'lik tasarruf ve genel enerji tüketiminde %10-15'lik azalma sağlanabileceğini göstermektedir), • Geliştirilmiş distilasyon, membranlı süzme, süper çözümleyici sıvı özütleme ve dondurarak yoğunlaştırma teknikleriyle (bu teknikler diğer ayrıştırma tekniklerinden zaman zaman %50 daha verimli olabilmekte ve daha yüksek saflıkta ürünler vermektedir) ayırma, saflaştırma ve yoğunlaştırma işlemlerinin daha verimli yapılabilmesi, • Atık ısının yeniden kullanımı (Kimya sektöründe oldukça yaygın uygulanmasına rağmen yapılan çalışmalar, bu alanda önemli miktarda ilave iyileştirme 527 potansiyeli olduğunu göstermektedir. Örneğin, ABD'de enerji maliyetlerinde %32-48'lik bir ek potansiyel belirlenmiştir). 5.3.9 Petrokimya Sektörü Aliağa'da kurulu petrokimya tesisinde en yoğun enerji tüketimi etilen fabrikasında olmaktadır. Dünyada yeni kurulan fabrika fırınlarında, daha yüksek ısı transfer alanı ve daha düşük alıkonma zamanı elde ederek etilen verimini artırmak amacıyla çok sayıda küçük çaplı boru kullanılmaya başlanmıştır. Aliağa etilen fabrikasında kullanılan boruların maksimum dayanma sıcaklığı 1070°C iken, bugün 1200°C'a dayanıklı kraking tüpleri piyasaya sürülmüştür. Yeni fabrikalarda, yanma için gerekli havanın önceden ısıtılması ile önemli miktarda enerji tasarrufu yapılmaktadır. Gaz türbini ilavesiyle hem elektrik üretilmekte hem de fırınlara gerekli olan sıcak hava sağlanmaktadır. Yeni fırınlarda duvar brülörleri yerine taban brülörleri kullanılmaya başlamıştır. 5.3.9.1 Ayırma Sistemleri Son 10 yılda etilen fabrikalarında yapılan enerji tasarrufunun %50'si ürün ayırma sistemlerindeki yeni tasarımlarla ve mevcut cihazların geliştirilmesiyle sağlanmıştır. Yüksek basınçlı ayırma sistemlerinin yerini düşük basınçlı ayırma sistemleri almaktadır. Ayrıca kolonlarda daha az basınç kaybıyla daha fazla ve daha kaliteli üı-ün elde etmek için, tepsi yerine metal dolgular kullanılmaya başlamıştır. 5.3.9.2 Japonya Örneği Yokkaichi Mitsubishi Petrokimya tesisinin 25 sene önce kurulmuş olan etilen fabrikasında yürütülen enerji tasarrufu çalışmaları sonucunda, enerji tüketimi %40 oranında azaltılmıştır. Burada, kraking fırınlarının modifikasyonu (yeni tasarım ile %10 oranında tasarruf sağlanmıştır) kompresör ve türbin değişimi (%7 civarında tasarruf sağlanmıştır), fırınların merkezi bilgisayar ile kontrolü, pinch teknolojisi uygulamaları, atık ısı geri kazanımları (kraking ünitesi ve muhtelif, ısı değiştiricilerle), değişken hız sürücüleri uygulamaları (%2 civarında tasarruf sağlanmıştır) ile toplam olarak 7 yılda 3 milyar yen'lik tasarruf sağlanmıştır. Yakın bir gelecekte gaz 528 genleştiricileri uygulamaları düşürülmesi planlanmaktadır. ile spesifik enerji tüketiminin 5,800 kcal/kg'a 5.3.10 Gübre Sektörü Türkiye'de Gübre Sektörü, planlı dönemle birlikte öncelik alan ve teşvik edilen bir sektör olmuştur. Bu bakımdan kimya ana sektörü içinde yeni bir sektör olmasına rağmen gelişmesi çok hızlı olmuştur. Bugün potansiyeli ve teknolojik seviyesi ile iç ve dış pazarda rekabet edebileceği güce sahiptir. 5.3.10.1 Sektördeki Kuruluşlar Sektördeki kuruluşlardan bir kısmı gübre hammaddesi ve aramaddesi üreterek sektördeki diğer kuruluşlara pazarlamaktadır. Gübre üreticisi kuruluşlardan bazıları ise gübre üretimleri için gerekli aramaddeleri kendi bünyelerinde kurulu ünitelerde üretmektedir. Bu gün ülkemizde başlıca üretimleri "Gübre Hammaddesi" ve "Aramadde"si olan 14 kuruluş mevcuttur. Bunlar Kamu Kuruluşları, Karma Kuruluşlar ve Özel Sektör Kuruluşları olarak üç ana grupta toplanmaktadır. 5.3.10.2 Gübre Sektörünün Teknolojisi Gübre Sektörün yatırımların sermaye yoğun olması nedeniyle, uygulanan teknolojiler eskidiği ve verimliliğini kaybettiği zaman tesislerin kapatılması en son çözüm olmakta, onun yerine eskiye ünitelerin yenilenmesi, teknik darboğazların giderilmesi gibi çözümlere gidilmektedir. Dünya Bankası tarafından finanse edilen rasyonalizasyon ve enerji kazanımı projeleri de aynı amaca yöneliktir. Bu yatırımlarla tesislerin teknik darboğazları giderilmiş, eskiyen kısımları yenilenmiş eklenen ünitelerle nominal kapasitelerinde üretim yapan ve daha verimli çalışan tesisler kazanılmıştır. 5.3.10.3 Gübre Fabrikaları İçin Enerji Tasarrufu Önerileri 529 • Isı geri kazanımı: Kurutucu veya soğutucuların atık gazları, yanma havasının ön ısıtılmasında kullanılmaktadır. Böyle bir proses değişikliği, enerji ihtiyacını 0.047885 Gcal/ton azaltmaktadır. Ancak atık gazlardaki toz miktarı bu uygulamayı kısıtlamaktadır. • Nötralizasyon prosesinde boru reaktör kullanılması: Reaksiyon ısısı, fazla suyun uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır. Bu uygulama ile 0.1196 Gcal/ton enerji tasarrufu edilmektedir. Ancak böyle bir proses, teknoloji değişikliği gerektirmektedir. Bu teknoloji kullanıldığında granülatörden sonra kurutucuya gerek kalmamaktadır. • Kazan yanma havası miktarında ayarlama: Kazan verimlerinde %10 civarında verim artışı sağlanabilmektedir. Basınç düşüşünün azaltılması: 1 ton %100 lük sülfürik asit üretimi sırasında fanların sistemdeki basınç düşüşünü karşılayabilmesi için 0.1196 Gcal/ton enerjiye ihtiyaç vardır. Bu kayıpları azaltmak için, a) Geliştirilmiş kule ve katalizör yataklar, b) Az basınç düşüşlü ekipmanlar kullanılmalıdır. Basınç düşüşünde % 20 lik bir azalma sağlanması halinde proses enerji ihtiyacında ton başına 0.02392 Gcal bir azalma sağlanmaktadır. • • • Kullanılmış asidin yeniden konsantre edilmesi: Kullanılmış asit geri kazanım ünitesi absorpsiyondan geri kazanılan ısıyı kullanacak şekilde, sülfürik asit tesislerine entegre olarak tasarlanabilir. Bu da kükürt kullanımını ve atık problemini azaltmaktadır. Elektrik ve yakıt tüketimlerinin çeşitli parametreler bazında izlenmesi için gerekli ölçüm cihazlarının satın alınması ve bilgisayar kontrollü sistemlere geçilmesi gerekmektedir. En iyi tasarruf, işletme şartlarının iyi izlenmesi ve bakım onarımın düzenli yapılması ile sağlanmaktadır. 5.4 Sanayi Sektöründe Enerji Tasarrufu için Alınacak Genel Önlemler 1. 1995 yılı Kasım ayında çıkarılan yönetmelik gereğince, 2000 TEP ve üzerinde enerji tüketimi olan tüm sanayi kuruluşlarında tasarruf imkan ve odaklarının tespiti, enerji tüketimi (genel ve spesifik) hedeflerinin belirlenmesi ve izlenmesi, mevcut durumdaki enerji tüketimi ve hedef miktarlara yaklaşım plan ve programlarının yapılması için "Enerji Yönetim" sisteminin kurulması öngörülmektedir. Yönetmeliğin kapsamına yıllık enerji tüketimi 500 TEP'in üzerindeki tesisler de alınarak uygulamaların zorunlu hale getirilmesi sağlanmalı, yönetmelikte belirtilen hususları uygulamayanlar için hazırlanacak enerji tasarrufu kanunu çerçevesinde müeyyideler getirilmelidir. 530 2.Sanayi kuruluşlarının enerjiyi verimli bir şekilde kullanması için, TSE tarafından aşağıdaki hususları kapsayan bazı standartların hazırlanması gereklidir. • Yakma sistemlerinin iyi kullanımı, • Isıtma, soğutma ve ısı aktarım sistemlerinin iyi kullanımı, • Radyasyon, konveksiyon, kondüksiyon şeklinde olan ısı kayıplarının önlenmesi, • Atık ısı geri kazanımı ve yeniden kullanımı, • Isının, güç vb. diğer kullanım türlerine dönüşümü sırasında verimli kullanımı, • Direnç vb. nedenlerle olan elektrik enerjisi kayıplarının önlenmesi, • Elektrik enerjisinin güç (mekanik enerji), ısı vb. diğer kullanım türlerine dönüşümü sırasında verimli kullanımı. 3. Enerji tasarrufu sağlayıcı projelerin, demonstrasyon projelerinin, bu konuda hizmet verecek özel sektörün mali açıdan teşvik edilmesi için uygun politikaların belirlenmesi ve gerekli yasal düzenlemelerin yapılması zorunludur. Tevsii çalışmaları sırasında ve yatırım planlarında yeni ekipman seçiminde aynı işlevi yerine getiren ancak daha az enerji tüketen ekipmanların tercih edilmesi sağlanmalı ve bu ekipmanlar için yapılan yatırımlarda ya da bunların ithalinde teşvik edici önlemler alınmalıdır (Gümrük vergisi indirimi veya sıfır gümrükle ithal izni verilmesi gibi). 4. Sanayide birinci öncelik üretime verildiğinden, enerji tasarrufuna gereken önem ve dikkat gösterilmemektedir. Bu da zaman zaman aşırı enerji tüketimlerine neden olmaktadır. Enerji tüketimleri izlenerek, termoekonomik yöntemlerle fabrikalarda aynı üretim miktarına karşı sebebi bilinemeyen aşırı yakıt tüketimleri tesbit edilmeli ve ortalamaların üzerine çıkan fabrikalar önce uyarılmalı, daha sonra örneğin fabrikaya devlet desteğinin sınırlandırılması gibi cezai müeyyideler uygulanmalıdır. Aynı zamanda enerji verimliliği konusunda başarılı olan kuruluşların da ödüllendirilmesi düşünülmelidir. Yapılan çalışmaların etkinliğinin artırılması açısından, enerji tasarrufu konusunda merkezi bir izleme ve denetleme mekanizmasının oluşturulması gereklidir. Bu amaçla Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü içindeki Ulusal Enerji Tasarruf Merkezi'nin yeterli yetkilerle donatılması uygun olacaktır. 5. Ülkemizde son zamanlara kadar sanayi tesislerinin tescillerinin tam ve eksiksiz olarak tutulduğu bir kayıt sisteminin olmaması, DİE ve Sanayi ve Ticaret odalarındaki listeler arasında tutarsızlık ve eksikliklere yol açmıştır. Yapılan çalışmalar sırasında bazı büyük fabrikaların kayıtlarının bile bu listelerde yer almadığı görülmüştür. Sanayi 531 Bakanlığının sektörlerdeki kapasite kullanım durumları, sanayi dalının katma değer katkısı, istihdam katkısı, çevre kirliliği, enerji tüketim yapısı gibi kriterleri göz önüne alarak sanayi tesislerinin kurulması, kapasite artırımı konusunda planlama yapacak ve bu plana uygun izin verecek şekilde örgütlenmesi gerekmektedir. Bu konu ile ilgili çalışmalar Sanayi ve Ticaret Bakanlığı Sanayi Genel Müdürlüğünce sürdürülmektedir. 23.12.1995 tarih ve 22502 sayılı Resmi Gazete'de yayımlanan SGM- 95/132-133 sayılı tebliğe göre, Sanayicilerin ilgili Bakanlığın Sanayi Genel Müdürlüğünden Sanayi Sicil Belgesi alma zorunlulukları vardır. Bu işlemin daha kolaylaştırılması için, 15.5.1998 tarihiden itibaren sanayicilerin İI Müdürlüklerine müracaat edebilmeleri imkanı sağlanmıştır. Bilgisayar ağı ile bu işlemlerin hızlandırılması ve güncelleştirilmesinin kapsandığı bu çalışınalar sonucunda, sanayideki yatırımların daha iyi yönlendirilmesi mümkün olacağı gibi, enerji sektörünün de beklenmeyen enerji artışlarının yarattığı sorunlardan daha az etkilenmesi sağlanmış olacaktır. 6. Ülkemizdeki enerji yoğunluğunun düşürülmesi için sanayi sektöründe enerji verimliliğinin artırılmasının yanısıra, Türk sanayii, ağır sanayiden (metal vb) katma değeri yüksek hafif sanayi üretimlerine (elektronik, metal eşya vb) geçmelidir. Bunun için sanayi planlaması en kısa zamanda yapılarak teşvikler ve tesis kurma izinleri buna göre verilmelidir. Böylece ülkemiz enerji yoğunluğu değerleri düşme trendine girecektir. 7. Kamu fabrikalarında enerji tasarrufu sağlayan önlemlerin uygulanmasında en büyük dar boğaz, yatırım planlarının genel müdürlük ve DPT onaylarında minimuma indirilmesi veya reddedilmesidir. Geri ödemesi çok kısa vadeli olan önlemler bile gerekli yatırım izni alınamadığı için yıllarca beklemektedir. Önlemlerin uygulanması hususunda kamu fabrikaları gerekli yatırımları yapacak yetkilere sahip olmalıdır. Kamu kesimdeki fabrikaların önemli eksikliklerden biri de gerekli ölçüm, kontrol cihazlar ile otomatik kontrol sistemlerinin olmaması ve bu nedenle enerji tüketimlerinin sağlıklı bir şekilde izlenememesidir. Kamu kesimi yatırımlarında bu konuya özellikle önem verilmesi gereklidir. 8. Enerjiyi kullanan personelin enerji tasarrufu konusunda bilinçlendirilmesi, en önemli konuların başında gelmektedir. Bu konuda çeşitli yayın, promosyon kampanyaları, seminer ve eğitim programları ile personelin bilgilendirilerek tesiste uygulanan enerji tasarrufu çalışmalarına katılımları sağlanmalıdır. Bu konuda enerji yöneticilerine büyük görevler düşmektedir. 532 9. Bilgisayar destekli koruyucu bakım ve bakım-onarım sistemlerinin kurulması yaygınlaştırılmalı, bu şekilde arıza ve duruşlara bağlı üretim kayıplarının ve enerji tüketimlerinin azaltılması sağlanmalıdır. 10. Sanayide enerjinin etkin kullanımını artırıcı yatırımların ekonomik analizlerini daha doğru ve kolay yapmayı sağlayan yazılımların (UNIDO tarafından verilmektedir) yaygınlaştırılması için girişimlerde bulunulmalıdır. 11. Sanayide ve diğer mekanik işlemler sonucunda atılan ısının yer altında depolanması ile enerji tasarrufu sağlanması da üzerinde önemle durulması gereken bir konudur. 12. Enerji verimli üretim teknolojilerinin tesbiti için sektör uzmanlarından gruplar oluşturulmalıdır. Bu gruplar Türkiye'deki sanayi kuruluşlarının yakın ve orta vadede enerji verimliliği ve çevresel etkiler açısından tercih etmeleri gereken teknolojileri tesbit etmelidir. Bu çalışma devlet ve sanayici tarafından sağlanacak ortak desteklerle yürütülmelidir. 533 ALTERNATİF ENERJİ KAYNAKLARI 1. Yenilenebilir Enerjinin Temel Prensipleri 1.1 Giriş Dünyanın yıllık enerji ihtiyacı nüfus artışına paralel olarak hızla artmaktadır. Gelişen teknoloji ile birlikte ham petrol ve doğal gaz fiyatlarındaki artışlar, kömür kullanan tesislerin ve nükleer enerjinin çevre üzerindeki olumsuz etkileri yenilenebilir enerji kaynaklarının daha etkin kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. Fosil yakıtların yanması sonucu oluşan ve atmosfere verilen, SOx, NOx, ve toz gibi kirletici emisyonlarla beraber sera etkisi yaratarak iklim değişikliğine neden olan CO2 emisyonları çevreyi olumsuz yönde etkilemektedir. Özellikle ısıl değerleri düşük, kül ve kükürt içerikleri yüksek olan kalitesiz yerli linyitlerin kullanılması, hava kirliliğini artırmaktadır. Bu olumsuz etkiler yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasının önemini artırmaktadır. Bugün gelişmiş veya gelişmekte olan ülkeler kendi olanakları içinde değişik enerji kaynaklarının kullanılmasına öncelik vermektedirler. Dünyanın bilinen petrol rezervlerinin 2050 yılında, doğal gaz rezervlerinin 2070 yılında ve kömür rezervlerinin 2150 yılında tükeneceği beklenmektedir. Bu nedenle Enerji üretiminde 21. yüzyılın başlarında fosil yakıtların kullanılması gerek çevre, gerekse artan fiyatlar nedeniyle ekonomik olmaktan çıkacaktır. Sanayide fosil kökenli enerji kaynaklarının tasarrufunda kısa vadeli önlemler olarak yalıtım ve uygun malzeme seçimi uzun vadeli önlemler olarak ta yenilenebilir enerji kaynaklarının tüketiminin artırılması önerilmektedir. Bunun için sanayi dallarında enerji ihtiyacının dağılımı (proses sıcaklıklarının mevsimsel dağılımı gibi) belirlenmeli ve yenilenebilir enerji kaynakları içinde hangisinin daha uygun olduğu saptanmalıdır. Oldukça geniş bir güç bölgesinde (0.1kW-1MW) tasarlanabilecek olan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması aşamasında başlıca üç soruya cevap aranır. Bunlar: (i) Çevreden ne kadarlık bir enerji sağlanabilir?, (ii) Toplanan enerji nerede ve hangi amaç için kullanılır? (iii) Bu enerjinin maliyeti ve diğer enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında ekonomikliliği nedir? İlk iki sorunun yanıtı her bir yenilenebilir enerji kaynağı incelenirken verilmeye çalışılacaktır. Üçüncü soru, uygulama esnasında her zaman sorun olmuştur [Twidell, 1990]. Dünyada enerji tüketiminin sürekli büyüdüğü gözlenmektedir. Ekonomik yönden işletilebilir olup olmadıkları dikkate alınmaksızın teknolojik araçlarla yararlanılabilir duruma getirilebilen doğadaki enerji kaynaklarının tümü “enerji varlıkları” olarak 534 belirtilebilir. Bu varlıkların bir bölümü, ekonomik yönden işletilebilir durumda ya da ileride ekonomik olarak değerlendirilebileceği bilinen veya beklenen tükenebilir enerji kaynaklarıdır. Bunların diğer bir bölümü de, yine ekonomik yönden işletilebilir durumda olan ve sürekli yenilenebilen doğal enerji kaynaklarıdır. Tükenebilir enerjilere “stok enerjiler”, yenilenebilir enerjilere “akım enerjileri” denilmektedir. Katı yakıtlar, petrol, doğal gaz ve nükleer enerjiler tükenebilir enerjileri oluştururlar. Hidrolik enerji, yeni enerjiler ve ticari olmayan enerjilerin tamamı yenilenebilir enerjileri oluştururlar. Bunlardan hidrolik ve yeni enerjilerin oluşturduğu gruba modern enerjiler de denmektedir. Hidrolik enerji, uzun yıllardan beri ihtiyaç duyulan enerjinin büyük bir kısmını karşıladığı için konvansiyonel enerji olarak ta kabul edilmektedir [Yücel, 1992]. Şekil 1.1’de yenilenebilir ve tükenebilir enerji sistemlerindeki enerji akış şeması verilmiştir. Burada ABC hattı doğal enerji akışını DEF hattı ise faydalanılan enerji akışını göstermektedir [Twidell, 1990]. Tablo 1.1’de ise sonlu enerji ile yenilenebilir enerji değişik şekillerde karşılaştırılmıştır. Şekil 1.1 Yenilenebilir ve Sonlu Enerji akışı ve faydalanma şekli 535 Tablo 1.1 Yenilenebilir ve Sonlu enerji sistemlerinin karşılaştırılması[Twidell, 1999] Örnekler Kaynak Normal durum Başlangıç yoğunluğu Kaynak ömrü Kaynağın fiyatı Ekipman fiyatı Değişim ve kontrol Kullanım yeri Yenilenebilir enerji kaynağı Rüzgar, güneş, biyokütle, gel git, hidroelektrik Doğal çevreden Sürekli enerji akışı Düşük yoğunluk, <300W/m2 Sonsuz Bedava Sonlu enerji kaynağı Kömür, petrol, doğal gaz Konsantre kaynaklardan Statik enerji deposundan yayılmış >100kW/m2 Sonlu Gittikçe artıyor >0.1$/kWh Yüksek, 2000$/kW Orta, 500$/kW Düzensiz, geri besleme sistemi Sabit, geri besleme kontrolü ile ile yük kontrolü kaynağın ayarlanması Kent ve küçük yerleşim Büyük yerleşim yeri, uluslar arası Boyut Küçük ölçekli Büyük ölçekli Çevre Kırsal ve endüstrileşmemiş Şehir ve endüstri bölgeler Bağımlılık Kendi kendine yeter Sistem dış girdilere bağlı Emniyet İşletme anında yerel tehlike Hata durumunda ciddi tehlike olabilir Kirlilik ve Genellikle düşük çevresel zarar Özellikle hava ve suda çevresel çevresel etki kirlilik mümkün Estetik Genellikle kabul edilir düzeyde Küçük yapılar kabul edilir düzeyde büyük yapılar çirkin Enerjinin herhangi bir değişim ya da dönüşüm uygulanmamış biçimi “birincil enerji” olarak tanımlanır. Uluslar arası literatürde birincil kaynaklar aşağıdaki şekilde sınıflara ayrılır: (i)katı yakıtlar (kömür, linyit...), (ii) petrol (petrol ürünleri), (iii) doğal gaz, (iv) hidrolik enerji, (v) nükleer enerji, (vi) yeni enerjiler (güneş, rüzgar, jeotermal, biyogaz, dalga ...), (vii) ticari olmayan enerjiler, biyoyakıt (odun, odun atığı, şehir çöpleri, bitki ve hayvan atıkları, etanol, biyodizel). Birincil enerjinin dönüştürülmesi sonucu elde edilen enerji çeşidi ikincil enerji olarak tanımlanmaktadır. İkincil enerjinin en önemli ve en çok kullanılan türü elektrik enerjisidir. Dünyada tükenebilir 536 enerji kaynaklarının artan bir tempoda kullanılması karşısında bir gün biteceği düşünülmektedir. Bu konuyla ilgili değişik tahminlerin birleştiği nokta; petrol, doğal gaz ve uranyumun gelecek yüzyılın sonlarına doğru tükeneceği üzerinedir. Doğanın bu stokları oluşturmak için milyonlarca yıl geçirmesine karşılık insanoğlu bunları birkaç yüzyılda kullanıp bitirmiş olacaktır. Bu durumda geriye kömürün dışında yenilenebilir enerji kaynakları kalacaktır[Yücel, 1992]. Endüstri öncesi toplumların gelişmesi odun, rüzgar ve hayvan gücü gibi geleneksel denilen bazı enerjilere dayanmıştır. Bugünün gelişmiş ülkelerinin enerji tüketimlerinin % 80’ninden fazlası 15. yüzyılda odun ile insan ve hayvan enerjisinden oluşuyordu. Endüstri devrimi bunların marjinalleşmesine katkıda bulunmuştur. Bu tür enerjiler, kalkınmakta olan bazı ülkelerin tüketiminde yine başlıca payı almaktadır. “Yeni” olarak adlandırılan enerjilerin ortak özelliği, bunların yararlı enerjiye dönüştürdükleri doğal birinci kaynağın “yenilenebilir” özellikte olmasıdır. Kullanılabilir enerji başlıca 5 farklı kaynağa dayanır. Bunlar: (i) Güneş, (ii) Güneş, ay ve dünyanın hareket ve çekim kuvveti, (iii) Yer yüzündeki kimyasal reaksiyonlar, soğumadan ve radyoaktif parçalanmadan jeotermal enerji, (iv) Dünyadaki nükleer reaksiyonlardan, (v) Mineral kaynaklardaki kimyasal reaksiyonlardan. Yenilenebilir enerji i,ii,iii nolu kaynaklardan, sonlu enerji ise i (fosil yakıtlar), iii (sıcak kayalar), iv ve v nolu kaynaklardan sağlanır. Ayrıca şu şekilde de bir sınıflandırmaya gidilebilir: (i) Bir ısı yenilenmesinden türeyen enerjiler, (ii) Jeotermal, güneş enerjisi ve denizlerin yüzeyi ile dibinin sıcaklık farkından oluşan okyanusların ısıl gücü, (iii) Bir hareket yenilenmesinden türeyen enerjiler, rüzgar enerjisi, hidrolik enerji, gelgit enerjisi, dalgalar ve akıntılar enerjisi, (iv) Bir madde yenilenmesinden türeyen enerjiler, biyo yakıt, yani fotosentez yöntemiyle türeyen bitkisel maddelerden elde edilen enerjiler. Sonlu enerji çok daha kolay bir şekilde merkezi olarak toplanmasına karşılık dağıtım sistemi pahalıdır. Buna karşılık yenilenebilir enerjinin geniş bölgelerden toplanması daha kolay olmasına karşılık yoğunlaştırılması zordur. Bu nedenle bu enerji kırsal bölgelerde daha fazla uygulama alanı bulmuştur. 1.2 Çevresel Enerji Dünya üzerindeki yenilenebilir enerji kaynaklarına ait akış şeması Şekil 1.2.’ de verilmiştir. Güneşten gelen radyasyonun yeryüzüne birim zamanda düşen kısmı 1.2X1017 W’dır. Dünya nufusu 4X109 olarak kabul edildiğinde kişi başına düşen güneşten gelen güç miktarı ise yaklaşık 30MW olacaktır. Bu güç miktarı ise çok büyük 10 tane dizel jeneratörün gücüne eşit olacaktır. Güneşten gelen enerji 537 yoğunluğu ise ortalama 1kW/m2’dir. Dünyanın her bölgesi aynı oranda yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanamamaktadır. Örneğin Danimarka, hidrolik güç bakımından fakir olmasına karşılık rüzgar enerjisi potansiyeli bakımından çok zengindir. Norveç ise hidrolik güç potansiyeli bakımından zengindir. Tropikal yağmur ormanlarının olduğu bölgelerde biyo yakıt enerjisi daha fazladır[Twidell, 1990]. Ülkemiz ise yenilenebilir enerji kaynakları açısından oldukça zengin olup; güneş, jeotermal, hidrolik, rüzgar, biyoyakıt enerjisinden faydalanılmaktadır. Şekil 1.2 Yeryüzüne doğru olan yenilenebilir enerji akış şeması, Boyut terawatt (1012 W) 2. Hidroelektrik Enerji 2.1 Giriş Hemen hemen bütün enerji kaynakları, güneş ışınımının maddeler üzerindeki fiziksel ve kimyasal tesirinden meydana gelmektedir. Hidrolik enerji de güneş ışınımından dolaylı olarak oluşan bir enerji kaynağı olup hidrolik çevrimi Şekil 2.1’de verilmiştir. Deniz, göl veya nehirlerdeki sular güneş enerjisi ile buharlaşmakta, oluşan su buharı rüzgarın etkisiyle de sürüklenerek dağların yamaçlarında yağmur veya kar halinde yer yüzüne ulaşmakta ve nehirleri beslemektedir. Böylelikle hidrolik enerji kendini 538 sürekli yenileyen bir enerji kaynağı olmaktadır. Enerji üretimi ise suyun potansiyel enerjisinin kinetik enerjiye dönüştürülmesi ile sağlanmaktadır. Şekil 2.1. Hidrolik çevrim [Harvey, 1998] Hidroelektrik sistemlerde su, bir cebri boru veya kanal yardımıyla yüksek bir yerden alınarak türbine verilmektedir. Türbinlere bağlı jeneratörlerin dönmesi ile de elektrik enerjisi üretilmektedir (Şekil 2.2). Üretilen elektrik enerjisi direkt olarak kullanılabildiği gibi bataryalarda da depo edilebilir. Türbinden elde edilen güç, suyun düşü (üst ve alt kodlar arasındaki düşey mesafe) ve debisine (türbinlere birim zamanda verilen su miktarı) bağlıdır (Şekil 2.3). Şekil 2.2 Hidroelektrik sistemlerin çalışması 539 Şekil 2.3 Düşü 2.5 Hidroelektrik Sistemlerin Sınıflandırılması ve Tasarımı Hidroelektrik güç sistemleri şu şekilde sınıflandırılmaktadır: a) Büyük ölçekli hidroelektrik sistemler: Bu sistemlerinin gücü 50 MW’ın üzerindedir. 1 MW’ lık bir güç yaklaşık 20.000 elektrik lambasının ihtiyacı olan enerjiyi üretir. 1 KW’ lık bir güç ise 4 lambalı (50 watlık) 5 evin aydınlanma için gerekli olan enerjiyi verir. 50 MW’lık bir güç 250.000 evin ışık ihtiyacı olan enerjiyi verir. b) Küçük ölçekli hidroelektrik sistemler: Güç bölgeleri 10-50 MW arasındadır. c) Mini ölçekli hidroelektrik sistemler: Bu sistemler ulusal enerji şebekesine daha az katkıda bulunurlar. Bunlar 101 kW ile 10.000 kW güç bölgesinde çalışırlar. d) Mikro ölçekli hidroelektrik sistemler: Mikro hidroelektrik sistemler çok daha küçük ölçekte olurlar ve ulusal enerji şebekesine elektrik enerjisi sağlamazlar. Ana yerleşim bölgelerinden uzaktaki alanlarda yani ulusal enerji şebekesinin ulaşmadığı bölgelerde kullanılır. Güçleri, genellikle sadece bir yerleşim yeri veya çiftlik için yeterlidir. Güç bölgeleri, 200 wattan başlayarak bir grup evin veya çiftliğin yeterli aydınlanma, pişirme ve ısınma enerjisini sağlayacak şekilde 100 kW’a kadar çıkabilir. Küçük fabrikaların veya balık çiftliklerinin enerji ihtiyacını karşılayacak şekilde ve ulusal enerji sisteminin bir parçası olmaksızın çalışabilir. Mikro hidroelektrik sistemlerde elektrik enerjisi üretimi de şart değildir. Bir çok uygulamada, mekanik enerjisinden de yararlanılarak değirmen sistemlerinde kullanılabilir. Her iki kullanım için de sistem özellikleri aynıdır . Enerji literatüründe büyük hidroelektrik enerji, klasik yenilenebilir kaynak grubunda ele alınırken; mini ve mikro hidroelektrik enerji yeni ve yenilenebilir kaynaklar grubuna sokulmaktadır. 101kW-10 MW arasındaki hidroelektrik olanaklar mini hidroelektrik enerji olarak varsayılmaktadır. Mini hidroelektrik sistemler çeşitli şekillerde sınıflandırılmaktadır. Düşüye göre yapılan sınıflandırmada; 2-20 m alçak düşü, 20-150m orta düşü ve 150 m ve yukarısı yüksek düşü olarak kabul edilir. Genellikle düşük birim maliyeti nedeniyle orta ve yüksek düşülü sistemlerin yapılması tercih edilir. Düşü, debi ve güç arasındaki bağıntı şu şekilde verilmektedir: Pe = ρ g Q Ho ηtürbin (1) Burada Pe türbin milinden alınan gücü (W), ρ suyun yoğunluğunu (1.000 kg/m3), g yerçekimi ivmesini (9.81 m/s2), Ho net düşüyü (giriş ağzı ile kuyruk suyu arasındaki kot farkından toplam düşü kayıplarını çıkartarak bulunur, m), Q türbine gelen debiyi (m3/s), ηg genel verimi göstermektedir. Bir hidroelektrik güç sisteminde toplam güç çıkışı ve kayıpların oluşumu şu şekilde gösterilmiştir (Şekil 2.4): 540 Güç çıkışı = ηinşaat Xηcebri boru X ηtürbin X ηjeneratör X ηtransformatör X ηnakil hattı X Güç girişi (2) Şekil 2.4 Bir hidroelektrik santralde toplam güç çıkışı ve kayıplar Diğer bir sınıflandırma suyun depolanması ile ilgilidir. Mini hidroelektrik sistemler depolamalı veya depolamasız olarak yapılmaktadır. Şekil 2.5’de, depolamasız ve şekil 2.6’da ise depolamalı bir sistem görülmektedir. Depolamasız sistem ‘’run of the river’’ olarak adlandırılmaktadır. Burada bir saptırma savağı ve su alma ağzından kanala verilen su, bir yükleme odasına kadar getirilmektedir. Yükleme odasındaki fazla su için bir taşkın savağı bulunmaktadır. Su bir cebri borudan geçirilerek türbine verilmekte ve burada hidrolik enerjisi mekanik enerjiye çevrilmektedir. Depolamalı sistemde ise suyun önü bir baraj sistemi ile kapatılmaktadır. Bu sistemin avantajı yağışlı sezonda su barajda tutulur. Böylece yağışsız ve kuru sezonda da gerekli potansiyel enerji sağlanmış olur. Depolamasız sistemde suyun önü kesilmez, sadece bir kısmı bir kanal içerisine alınır. Mikro hidroelektrik sistemler genellikle depolamasız sistemlerdir. Bu sistemlerin en büyük dezavantajı kurak sezonda türbin için gerekli debiyi verememeleridir. En büyük avantajı ise lokal olarak çok düşük bir maliyetle yapılabilmeleridir. Akarsu yatağına en az zararı verirler. Yükleme odasında günlük bazda yapılan ayarlarla da su debisi kontrol edilir. Depolamalı sistemler daha karmaşık ve pahalıdırlar. Zaman içerisinde çeşitli problemlerle karşılaşırlar. Örneğin baraj gölü belirli bir zamandan sonra kum ve kil ile dolmaktadır. Böyle durumda boşaltılması hem pahalı hem de çok zordur. Bir süre sonra baraj ömrünü tamamlar. 541 Şekil 2.5 Depolamasız hidroelektrik güç hidroelektrik güç sistemi Şekil 2.6 Depolamalı sistemi Şekil 2.7’de depolamasız, Şekil 2.8’de ise depolamalı bir hidrolik güç sisteminin ana bileşenleri görülmektedir. Burada; set savağı suyu akarsu yatağından bir açık kanala yönlendirir; çökeltme havuzu su içerisindeki kum parçalarının çökmesini sağlar; kanal, suyu yamaç boyunca ve gerekli yerlerde su kemerlerinden geçirerek yükleme odasına kadar getirir. Burada bir cebri boru içinden geçen su türbin veya bir çarka ulaşır. Türbin mili mekanik bir aletle birleştirilir. Bu bir jeneratör veya bir değirmen olabilir. Şekil 2.7 Depolamasız bir hidroelektrik hidroelektrik santralin kısımları Şekil 2.8 Depolamalı bir santralin kısımları 542 Mini hidroelektrik sistemlerin diğer bir sınıflandırma şekli de enerjinin kullanım tarzı ile ilgilidir. Burada üretilen elektrik ya merkezi enerji sistemini besler ya da bağımsız olarak küçük kasabaların ve yerleşim bölgelerinin enerji ihtiyacını karşılar. Bir hidroelektrik sistemin tasarımı 4 aşamada gerçekleşir. Bunlar: a) Kapasite ve talep araştırması: Bir enerjiye talep olduğunda ‘’ne kadarlık bir enerji hangi amaç için isteniyor’’ sorusunun cevabı doğru olarak belirlenmelidir. Bu aşamada ayrıca kullanıcıların kullanım kapasitelerinin de belirlenmesi önemli olmaktadır. Genelde mikro hidrolik sistemler, insanların çoğunun karmaşık makinaları kullanmadığı kırsal bölgeler için planlanmaktadır. Bu sistemin tasarımı ve yapımı için gerekli paranın büyük bir kısmı o yöre insanları tarafından karşılanacaktır. b) Hidrolojik çalışma ve mevki araştırması: Bu aşamada sistemin kurulacağı yerin hidrolik potansiyeli belirlenir. Akarsuyun debisinin yıl boyunca değişimi ortaya konur, su alma ağzının en verimli ve en ucuz olarak alınacağı yer tespit edilir. Ayrıca, dönem dönem ne kadarlık bir güç sağlanabileceği de tespit edilir. Çalışma suyun farklı kullanılması (örneğin zirai sulama amaçlı) durumunu da dikkate alır. c) Ön fizibilite çalışması: Bu bir hızlı fiyat belirleme çalışmasıdır. Hidrolik sistem tasarımcısı talebi karşılayacak şekilde genellikle 3 veya dört farklı seçenek ortaya koyar. Bunların ilk ikisi iki farklı hidrolik sistemin yerleştirilmesi, üçüncüsü merkezi enerji nakil sisteminin geliştirilmesi ve sonuncusu ise ihtiyacı karşılayacak şekilde bir dizel jeneratör kullanılması olabilir. Ön fizibilite çalışması, bu seçenekleri karşılaştırır ve bunların önemli özellilerini ortaya koyar. Tüketici, bu seçenekleri ve bunların karşılaştırmalı fiyatlarını bilmek isteyecektir. Ön fizibilite çalışmasında ayrıca, enerji talep çalışmalarının hidrolojik çalışma sonuçları ile karşılaştırması da yapılır. Talep çalışması bize güç değişimleri karşısında talebin nasıl olacağını hidroloji çalışması bize güç değişimlerinin nasıl sağlanacağı hakkında bilgi verir. Ayrıca bu bölümde farklı sorulara da cevaplar verilir. d)Tam fizibilite çalışması: Ön fizibilite çalışmasında hidrolik sistemin uygulanabilir olduğu belirlenirse; mühendislik hesapları, maliyet hesapları detaylı olarak tam fizibilite çalışmasında yapılır. Ayrıca, ekonomik kriterleri kullanarak yapılan parasal çalışmalar, işletme ve bakım masraflarının hesaplanması da önemlidir. Fizibilite çalışmasında altın kural şu şekildedir: çalıştırma ve bakım (O + M) birinci, ekonomi ve tesis faktörü ikinci, mühendislik tasarımı ise üçüncü önceliktedir. Fizibilite çalışmasında ayrıca kontratlarla detaylı olarak kullanma tarifesi de belirtilmelidir. Yani kurulacak sistemden üretilecek elektrik enerjisi hem ev elektriğinde ve hem de güç kaynağı olarak sanayide kullanılacaksa bu koşullar kontratta ayrıntılı olarak belirtilmelidir. Aynı yolla, farklı amaçlı kullanıcılar için öncelik hakları (sulama ve hidrolik güç) ortaya net bir şekilde konmalıdır. Bu durum daha sonra ortaya çıkabilecek zorlukları çözmeye yardım edecektir [Harvey, 1998]. 543 2.6 Hidroelektrik Sistemlerde Kullanılan Türbinler ve Regülasyon Türbinler, akışkanın hidrolik enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinalardır. Herhangi bir yer için en uygun türbin tipinin seçimi, yerin karakteristik özelliklerine bağlıdır. Ayrıca, düşü ve debi değerine bağlı olarak hesaplanan özgül hız değerlerine bakılarak da türbin tipi belirlenir. Bir türbinin ns özgül hızı, o türbine benzer olan ve aynı cins akışkanla 1 m net düşü altında çalışıp en iyi verimle milinden 1 BG güç veren türbinin dakikadaki devir sayısı olarak tanımlanır. Tablo 2.1’de özgül hıza bağlı olarak türbin tipleri görülmektedir. (Özgül hız bağıntısı şu şekilde verilmektedir ns = n Pe 0..5 / Ho 1.25 ) Tablo 2.1 Özgül hıza göre türbinlerin sınıflandırılması Türbin tipi Pelton Turgo Cross-flow Francis Uskur veya Kaplan Özgül hız (ns) 12-30 20-70 20-80 80-400 340-1000 Türbin tipi seçiminde türbin veya jeneratörün hızı da önemlidir. Diğer bir kriter ise türbinin kısmi debi koşullarında çalıştırılıp çalıştırılmayacağıdır. Tüm türbinler, bir güç-hız ve verim-hız karakteristiğine sahiptir. Türbin tarafından döndürülen jeneratörler, tipik bir türbinin optimum hızından daha yüksek bir devirde dönerler. Bu bağlantı kayış kasnak, dişli mekanizması veya bir kavrama yardımıyla sağlanır. Burada hız oranının minimum olması tercih edilir. Bu durumda bağlantı daha kolay ve maliyet daha düşüktür. Kural olarak 3:1 oranından kaçınmak gerekir en azından 2.5:1 oranı veya altı tercih edilmelidir. Şayet 1500 d/d ile dönen bir jeneratör varsa seçilecek türbinin hızı en az 500 d/d veya üzeri olmalıdır. Türbin hızının jeneratör hızında olması durumunda jeneratör direkt olarak türbin miline bir kavrama ile bağlanır. Üreticiler bunu tavsiye ederler. Genellikle, mikro türbin yerleştirmelerinde üniteleri ayrı olarak satın almak daha ucuzdur ve daha sonra bağlantı sistemiyle onlar yerlerine monte edilirler. Hidroelektrik sistemlerde kullanılan türbin tipleri yüksek, orta ve alçak düşü makineleri olarak sınıflandırılır. Şekil 2.9’da 50kW-2000MW güç bölgesi için, Şekil 2.10’da ise 1kW-1000kW güç bölgesi için farklı düşü ve debi bölgelerinde hidroelektrik santrallerde kullanılan türbinler gösterilmiştir. 544 Şekil 2.9 50kW-2000MW güç bölgelerinde bölgelerinde kullanılan türbinler Şekil 2.10 1kW-1000kW güç kullanılan türbinler Türbinler çalışma prensibine göre de sınıflandırılırlar. Aksiyon türbinlerinde türbin giriş ve çıkışında basınçlar atmosfer basıncına eşittir. Burada suyun kinetik enerjisinden faydalanılır. Reaksiyon türbinlerinde ise çark giriş ve çıkışı arasında basınç farkı vardır. Tablo 2.2’de aksiyon ve reaksiyon türbinleri düşü bölgelerine göre verilmiştir. Tablo 2.2. Aksiyon ve Reaksiyon Türbinlerinin Sınıflandırılması Türbin çarkı Yüksek Aksiyon (impulse) Pelton Turgo Çok püskürtücülü Pelton Reaksiyon Düşü Orta Alçak Cross flow Cross flow Turgo Çok püskürtücülü Pelton Francis Uskur Türbin pompa Kaplan Aksiyon türbinleri reaksiyon türbinlerinden daha ucuzdur. Micro hidrolik sistemler için tasarlanan türbinler değişken debiler için uyum sağlayacak sistemlere sahip değildir. Büyük makinelerde bu ayar mekanizmaları mevcuttur. Örneğin çok püskürtücülü Pelton türbinlerinde bazı püskürtücü girişleri kapatılarak debi ayarı yapılır. Cross flow veya Francis türbinlerinde ayar kanatları vardır. Tek püskürtücülü Pelton türbininde ise iğne hareketiyle püskürtücünün kesiti değiştirilerek debi ve güç ayarı yapılır. Şekil 2.11’de kısmi yüklerde türbinlerin verim eğrilerinin değişimi verilmiştir. Pelton ve Cross flow türbinleri dizayn değerlerinin dışında farklı 545 değerlerde de çalışmaları durumunda oldukça yüksek verim vermektedirler. Francis türbinlerinde kısmi yükler karşısında verim düşmektedir. Hatta Uskur türbinlerinde, tasarım debisinin %80 ve üstü haricindeki debi bölgesinde çok düşük verim elde edilir. Francis türbinleri büyük hidrolik sistemlerde oldukça popüler bir türbin olmasına karşılık karmaşık bir yapıya sahip olmaları ve kısmi yüklerdeki davranışı nedeniyle mikro hidrolik sistemlerde fazla kullanılmazlar [Jiandong, 1997]. Şekil 2.11 Türbinlerin kısmi yüklerde çalışması durumunda verim eğrileri Büyük hidroelektrik sistemlerde 150 m brüt düşünün üzerinde Pelton türbini uygulaması yapılmaktadır. Mikro hidrolik sistemlerde daha alçak düşülerde de bu türbin kullanılabilir. Örneğin yüksek hızda dönmekte olan küçük çaplı bir Pelton türbini, 1 kW güç üretmek için 20m’nin altında düşülerde kullanılabilir. Yüksek güç ve düşük debide hız çok azalır bu da türbin boyutunu artırır. Şekil 2.12’de bir Pelton türbini görülmektedir. Güç artıkça bu tip türbinlerin çarkının çapı büyür ve türbin yavaş döner. Eğer çarkın çapı ve düşük hızı bir problem olarak kabul edilmezse Pelton türbini rahatlıkla alçak düşülerde kullanılabilir. Alçak düşü ve küçük güç ünitelerinde kullanılacak olan türbinlerin, merkezi sistemden bağımsız yerel kuruluşlarca işletilmesi nedeniyle bakım ve onarımlarının kolaylıkla yapılabilir olması çok önem taşımaktadır. Ayrıca, tesis aksamının da piyasadan kolay temin edilebilen parçalardan oluşması gereklidir. Bu açıdan Cross-flow türbinleri bu çalışma bölgelerinde çok avantajlıdır. Konstruksiyonları diğer bütün türbin tiplerine göre son derece basittir. Bu nedenle türbin, ucuz olarak küçük atölyelerde kısıtlı olanaklarla imal edilebilir. 546 Türbin başlıca; giriş ağzı , çark ve gövdeden oluşmaktadır. Şekil 2.13’de bir crossflow türbini görülmektedir [Harvey, 1998, Dunn, 1986, Olgun, 1991, Inversin, 1986]. Şekil 2.12 Pelton türbini Şekil 2.13 Cross-flow türbini Giriş ağzı kaynak tasarımı, beton veya çok düşük debilerde tahtadan imal edilebilir. Döküm veya özel malzemeye gerek yoktur. Burada en önemli husus, giriş ağzının iyi bir yönlendirici olarak yapılmasıdır. Bunun için giriş ağzının her iki yan cidarı çark çevresel hızıyla 16 derece açı yapacak şekilde dizayn edilir. Ayar mekanizması olarak bir kolla kumanda edilebilen klape, kanat veya sürgü kullanılır. Bu türbinlerinde giriş ağzı içerisine yerleştirilmiş uygun kesitli bir ayar kanadı yardımıyla debinin tamamen de kesilmesi sağlanır (Şekil 2.13). Böylece, ayrıca bir giriş vanasına da gerek kalmaz. Ekonomik ve emniyetli bir otomatik kontrol küçük tesislerde türbin tipinden ayrı, başlı başına bir sorundur. Debinin otomatik kontrolü pahalı bir çözüm olduğu için küçük santrallerde gittikçe daha az kullanılmaktadır. Çark, kaynak konstruksiyonu olarak yapılmaktadır. Çark içerisinden boydan boya mil geçirilebildiği gibi milli flanşlara da çarkı bağlamak mümkündür. Kanatlar, diğer türbin tiplerinde olduğu gibi dönük değil, silindirik borulardan kesilerek veya presle şekillendirilerek yapılır. Reaksiyon türbinleri aynı düşü ve debi değerinde aksiyon türbinlerinden daha hızlı döner. Burada kullanılan türbinler Francis, Uskur ya da Kaplan türbinleridir. Şekil 2.14’de bir Kaplan türbini Şekil 2.15’de ise bir Francis türbini görülmektedir. Kaplan türbinleri Francis türbinlerine nazaran daha hızlı dönerler. Bu büyük avantaj nedeniyle Jeneratöre arada kayış kasnak veya dişli olmadan da direkt bağlanabilir, Francis türbinleri orta düşüşler için Kaplan türbinleri ise alçak düşüler için daha ekonomiktir. Yapımları aksiyon türbinlerine göre daha zordur, Bu nedenle mikro hidrolik sistemlerde daha az kullanılmaktadır. Ayrıca bu türbinlerde kavitasyon tehlikesi de vardır. Değişken debilerde de düşük verim verirler. 547 Şekil 2.14 Kaplan türbini Şekil 2.15 Francis türbini Regülatörler türbin hızını kontrol etmek için kullanılırlar. Son yıllara kadar hidrolik sistemlerde kullanılan bütün regülatörler, türbine giden suyu ayarlayarak güç değişimi sağlamaktaydı. Regülatörün görevi ister mekanik ister elektriksel olsun türbin milindeki hızı ayarlamaktır. Daha fazla güce ihtiyaç duyulduğunda türbin girişine daha fazla su verilir, benzer olarak daha az güce ihtiyaç duyulduğunda ise türbin girişi kısılarak daha az miktarda suyun türbine girişi sağlanır. Kırsal bir bölgede elektrik üretiliyorsa senkronize jeneratör kullanılır. Jeneratörün frekansı ise jeneratörün hızına ve kutup sayısına bağlıdır. Örneğin 4 kutuplu bir jeneratör 50 Hz için 1500 d/d ile dönmelidir. Bu hızın artma veya azalması durumunda üretilen frekans da artar veya azalır. Hidrolik sistemde kullanılan regülatörler İki grupta incelenir. Bunlar geleneksel ve geleneksel olmayan regülatörlerdir. Geleneksel olanlar, yüksek standartta olup tüm sistem boyutlarında kullanılırlar. Karmaşık ve pahalıdırlar. Son zamanlarda küçük sistemler için daha fazla yük kontrol regülatörleri kullanılmaya başlanmıştır. Bunların yapısı çok daha basittir. Maliyetin düşük olması istenen bütün mikro hidrolik sistemlerde yük kontrol regülatörleri tercih edilir. Yük kontrolü bir elektronik cihaz olup kullanıcı yükünün değişmesinde dahi jeneratörde sabit bir elektrik yükü sağlar. Türbinde debi akış kontrol cihazına ve regülatör sistemine ihtiyaç duymaz. Türbin debisi sürekli aynı sabit değerinde tutulur. Yük kontrolü jeneratörde daima sabit bir elektrik yükünü garanti eder. Türbin çıkış gücü sabittir dolayısıyla hız da sabit olacaktır. Yük kontrolü, ana yük tarafından istenmeyen ikinci bir safra yükü sağlayarak sabit bir jeneratör çıkışı sağlar. Çalışma prensibi ise kısaca şu şekildedir: Daha az yüke ihtiyaç olduğu anda türbin hızı ve frekans düşmeye başlayacaktır, bu durum yük kontrolü tarafından algılanacak ve ilave safra yükünü sağlamak üzere dirençler devreye girecektir, böylece kullanıcı yükünün değişmesi 548 durumunda da jeneratördeki toplam yük sabit kalacaktır. Yük kontrolü normalde frekansı veya voltajı sürekli ölçerek türbin hızını kontrol edecektir. Bu sistemin en büyük avantajı ucuzluğu ve basitliğidir. Tamir ve hareketli parça gerektirmez [Fisher, 1990]. 2.7 Türkiye’nin Hidroelektrik Potansiyeli Türkiye’nin yağış rejimi zaman ve yer bakımından oldukça düzensiz ve dengesizdir. Meteorolojik koşullara bağlı olarak her yıl önemli ölçüde değişim gösterme niteliğine sahiptir. Bu durumda hidroelektrik üretimin de yıllara göre farklılıklar göstermesi kaçınılmazdır. Uzun yılları kapsayan meteorolojik gözlemlere göre yılda ortalama 643 mm olan yağışlar 501 milyar m3 suya karşılık gelmektedir. Bu ortalama değerin ancak 186 m3 ‘nün çeşitli büyüklükteki akarsular aracılığı ile denizlere ve kapalı havzalardaki göllere doğru akışa geçtiği kabul edilmektedir. Akarsularımızın düzenlenmesi ve maksimum faydanın sağlanabilmesi için bugünkü etütlere göre 702 adet barajın inşa edilmesi gerekmektedir [TÜBİTAK-TTGV, 1998]. Topoğrafyası ve morfolojik yapısı göz önüne alındığında ülkemiz hem düşü hem de debi açısından şanslı sayılabilecek ülkeler arasında yer almaktadır. Türkiye’nin kaynak varlığı ve mevcut durumuna göz atmadan önce teknik yapılabilirlilik ve ekonomik yapılabilirlilik kavramlarının açıklamasını yapmak gerekecektir. Teknik yapılabilirlilik: Teknik açıdan söz konusu projenin gerçekleşmesine engel oluşturacak düzeyde herhangi bir mühendislik sorununun olmaması halidir. Ekonomik yapılabilirlilik: Bir projenin toplam yıllık gelirinin toplam yıllık giderinden fazla olması halidir. Türkiye’deki hidroelektrik kaynak varlığını üç kısımda incelemek gerekir. [TÜBİTAK-TTGV, 1998]. Brüt potansiyel: Ülkemizde mevcut hidroelektrik kaynakların üretim potansiyelinin teknik ve ekonomik yapılabilirlilik koşulları göz önüne alınmadan teorik olarak mevcut tüm düşü ve ortalama debi kullanılarak hesaplanmasıdır. Türkiye’nin brüt hidroelektrik enerji potansiyeli 430 milyar kWh civarındadır. Teknik potansiyel: Ekonomik yapılır olması koşulu göz önüne alınmadan, ülkenin hidroelektrik kaynaklarından “Teknik yapılabilir” olanlarının tümünün değerlendirilmesi durumunda ulaşılacak üretim miktarıdır. Ülkemizin teknik hidroelektrik potansiyeli 215 milyar kWh mertebesindedir. Teknik ve ekonomik potansiyel : Ülkenin brüt hidroelektrik potansiyelinin hem “teknik” hem de “ekonomik” olarak değerlendirilebilir bölümüdür. Yıldan yıla farklılıklar göstermekle birlikte bugün için Türkiye’nin teknik ve ekonomik hidroelektrik potansiyeli 124.5 milyar kWh ‘ dır. 1997 yılı başı itibarıyla mevcut 549 duruma bir göz atıldığında Türkiye’de 124.5 milyar kWh olarak bulunmuş olan teknik ve ekonomik potansiyelin şimdiye kadar sadece 36.341 milyar kWh’lık bölümünün kullanıldığı görülmektedir. Gelişmiş olan ülkelerin bir çoğunda bu potansiyelin büyük bir bölümünün değerlendirilmiş olmasına rağmen Türkiye’de işletmeye açılmış tesislerle söz konusu potansiyelin ancak % 29’luk bölümü hizmete sunulmuş durumdadır. Ülkemizde gerçekleşme oranının istenen düzeyde olmamasının başlıca nedeni olarak, hidroelektrik santral projelerinin ilk yatırım maliyetlerinin diğer kaynaklarla kıyaslandığında yüksek olmasıdır. Dünyada hidroelektrik üretim 1925 yılında 78.7 TWh iken, 2000 yılında 4000 TWh’e ulaşacaktır. 2000 yılında hidroelektrik üretimin toplam enerji üretimi ve birincil enerji üretimindeki payının sırasıyla %14 ve %5.5 olacağı tahmin edilmektedir. Hidroelektrik enerji için ilk yatırım maliyetinin yüksek oluşu ve inşa süresinin uzunluğu olumsuz faktörler olarak ileri sürülmektedir. 1995 yılı sonu itibarıyla tesislerin birim yatırım maliyetleri şu şekildedir : Doğal gaz santralleri Linyit santralleri İthal kömür santralleri Hidrolik santraller Nükleer santraller 680 $/kW 1600 $/kW 1450 $/kW 1200 $/kW 1800-2700 $/kW Görüldüğü gibi sadece doğal gaz santralleri hidroelektrik santral maliyetinden daha ucuzdur. Hidroelektrik santrallerin inşa süreleri uzun olmasına karşılık ekonomik ömürleri termik santrallerden daha uzundur. Kömür yakıtlı santraller ile kombine çevrimli santrallerin ömürleri 25 yıl iken baraj ve hidroelektrik santrallerin ekonomik hizmet süresi 40-50 yıldır. Bu değerler fizibilite çalışması değerleridir. Bazı rehabilitasyon çalışmaları ile hidrolik santrallerin ömürleri 75-100 yıla çıkartılabilmektedir. Ayrıca termik santraller doğal kaynakları tüketir. Buna karşılık hidrolik potansiyelin gelişmesi ile barajlarda meydana getirilen yapay göller vasıtasıyla ortamda oluşan buharlaşma havzanın daha fazla yağış almasına yol açmakta diğer bir deyişle kaynak artırıcı olarak işlev görmektedir. Hidroelektrik santrallerin teknik bazda en büyük avantajı diğer santraller kıyasla (özellikle pik saatlerde) çok çabuk devreye girme özelliğidir. Gerçekten bir hidroelektrik santralin ani talep durumunda devreye girmesi için sadece birkaç saniyeye gereksinim varken bu süre termik santraller için birkaç saati almaktadır. Türkiye’nin en fazla kullanılan alternatif enerji kaynağı olmasına rağmen potansiyelin %29 ‘luk kısmı kullanılmaktadır. Türkiye’nin geliştirilen projelere göre öngörülen ekonomik hidroelektrik potansiyeli 125 milyar kWh/yıl dır. Bu potansiyelin 1997 yılına kadar ancak % 29’u (36 milyar kWh/yıl) üretilebilmiştir. İnşa halindeki 33 adet santralin 550 devreye alınması ile ekonomik potansiyelin %38’i değerlendirilmiş olacaktır. Potansiyelin değerlendirilmemiş %62 lik bölümü en az ön inceleme aşamasında etüdü tamamlanmış 363 hidroelektrik santralin yapımını kapsamaktadır [TÜBİTAK-TTGV, 1998]. 5. Güneş Enerjisi 3.1 Giriş Türkiye güneş kuşağı adı verilen 40o kuzey ve 40o güney enlemleri arasında yer almakta ve güneş enerjisi bakımından orta zenginlikte bir ülke durumundadır. Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresinin yüksek olmasına karşılık düşük ve orta sıcaklık uygulamalarında sınırlı sayıda kullanılmaktadır. Sanayinin toplam enerji ihtiyacının karşılanmasında güneş enerjisinden yalnızca % 0.1 oranında faydalanılmaktadır. Ülkemizde güneş enerjisi uygulamaları ağırlıklı olarak, güneş toplayıcıları vasıtasıyla düşük sıcaklıkta sıcak su ve sıcak hava üretimi ile sınırlı kalmıştır. Güneş enerjisi uygulamaları; sıcak su üretimi, bitkisel ürünlerin soğutulması ve kurutulması, pişirilmesi, deniz suyunun damıtılması, elektrik üretimi, hacim ısıtılması ve soğutulması, sulama suyunun pompalanması, endüstriyel işlem ısısı üretme, fotokimyasal ve fotosentetik çevrimlerin gerçekleştirilmesi olarak sıralanabilir [Kılıç, 1983] Güneş enerjisinin üstünlükleri şunlardır: yakıt masrafının olmaması, işletme maliyetinin düşük olması, proses ısısının istenilen sıcaklıkta doğrudan elde edilmesi, enerji kaynağının tükenmez oluşu ve en önemlisi çevreyi kirletmemesidir. Dezavantajları ise; geniş kullanım alanlarına ihtiyaç duyulması, kullanılabilir enerjileri dönüştürme teknolojisinin henüz tam olarak yaygınlaşmaması, ilk yatırım maliyetinin yüksek olması ve gelen enerjinin kesikli ve değişken olmasıdır. Bu dezavantajların ortadan kaldırılması için gerekli teknolojiler üzerinde bilimsel çalışmalar devam etmektedir. 3.2 Güneş Enerjisinin Isıl Çevrim Yöntemi ile Toplanması Isıl çevrim yöntemi ile güneş enerjisinden yaralanma, günümüzde en fazla uygulama alanı bulmuş ve dolayısıyla en fazla gelişme göstermiş güneş enerjisi teknolojisidir. Isıl çevrimler sonucunda ulaşılabilen sıcaklık limitleri ve aynı zamanda kullanılan teknolojiler bakımından üç grupta toplamak mümkündür. 3.2.1 Düşük Sıcaklık Uygulamaları 551 Güneş enerjisinden en basit ve en yaygın yararlanma yöntemi, düzlemsel güneş toplayıcıları yardımıyla gelen güneş enerjisinin su, hava veya herhangi bir akışkana iletilmesidir. Düzlemsel güneş toplayıcıları genel olarak; saydam örtü, güneş ışınımını toplayan yutucu yüzey, yüzeye entegre edilmiş taşıyıcı borular, yalıtım malzemesi ve kasadan ibarettir. Bu tip toplayıcıların verimini arttıran en önemli parametre, güneş ışınlarını ısı enerjisine dönüştüren ve bu ısıyı akışkana aktaran yutucu yüzeydir. Yutucu yüzeyde yapılan seçici yüzeyli kaplama ile toplayıcı veriminde önemli artışlar sağlanmaktadır. Düzlemsel güneş toplayıcıları, güneş ışınımını ısı enerjisine dönüştüren en basit ve en yaygın olarak kullanılan araçlardan birisidir. Şekil 3.1’de farklı tipte tasarlanmış güneş toplayıcıları görülmektedir [Twidell, 1990]. Toplayıcı verimi; yutucu yüzey kaplamasına, geometrisine ve yüzey için seçilen malzemenin özelliğine bağlı olarak değişir. Bu yüzeyin imalinde bakır, alüminyum, paslanmaz çelik, saç, plastik gibi malzemeler kullanılır. Yutucu yüzey kaplamalarının başlıca görevi güneş ışınımını mümkün olduğu kadar yutması ve ısıya dönüştürmesidir. Yutucu yüzey kaplaması olarak siyah mat boya ve seçici yüzey kaplamaları kullanılır. Şekil 3.2’de siyah boyalı ve seçici yüzeyli plakada güneş ışınımının yutulması ve yayılması arasındaki fark görülmektedir. Yutucu yüzey siyah mat boya ile boyandığında yüzeyin güneş ışınımını yutma oranı %90-98, uzun dalga boylu ışınımı yayma oranı ise %85-92 arasındadır. Yani yüzey yuttuğu ışınımın büyük kısmını geriye vermektedir. Seçici yüzeyli kaplamalarda temel amaç, kısa dalga boylu ışınımın tamamına yakın kısmının yutulması buna karşılık uzun dalga boylu ışınım yayıcılığının en aza indirilmesidir. Böylece plaka sıcaklığı daha fazla artırılarak akışkana daha fazla ısı iletimi sağlanır. Seçici yüzeyler; sıcaklık yükselmesinde daha az ışınım yayarlar, dolayısıyla toplayıcı verimi yüksektir. Yüksek verimli toplayıcıların imalatında en önemli faktör; toplayıcının temelini oluşturan yutucu plakaların güneşten gelen radyasyonu yutması buna karşılık ısınan yutucu yüzeyin geriye enerjiyi yaymamasıdır. İsviçre standardına göre yutucu plakaların optik özellikleri üç sınıfa ayrılmaktadır. Seçici kaplamalar: 0.0 ≤yayma katsayısı ≤ 0.20, yutma katsayısı> 0.9 Yarı seçici kaplamalar: 0.15 ≤ yayma katsayısı ≤ 0.20, yutma katsayısı > 0.9 Seçici olmayan kaplamalar: 0.5 ≤ yayma katsayısı ≤ 1.00, yutma katsayısı > 0.9 Seçici yüzeylerin hazırlanmasında sputering, kimyasal buhar depozisyonu, metal spreyi, kimyasal oksidasyon ve elektroliz gibi çeşitli teknikler kullanılır. Dünyada seçici yüzey kaplaması olarak iki tür kaplama ticari olarak kullanılmaktadır. 552 Alüminyumun anodik oksidasyonu ile oluşturulan pöroz yüzeye nikel oksit ile yapılan renklendirme ve bakır üzerine nikel kaplanmış yüzeye siyah krom ile renklendirmedir Şekil 3.1 Farklı tiplerde güneş toplayıcıları (a) su dolu bir kap, zemine ısı kaybı fazla (b) su dolu bir kap, zemine ısı kaybı az, (c) siyah lastik, (d) zemin izolasyonlu siyah lastik, (e) izolasyonlu siyah lastik, (f) metal boru veya levhalı cam örtülü düzlem toplayıcı, (g) çift camlı düzlem toplayıcı, (h) seçici yüzeyli düzlem toplayıcı, (i) vakum borulu toplayıcı, taşınım ile ısı kaybı yok. 553 IS IK IS IK ISI I IS SEÇICI YÜZEY SIYAH BOYALI YÜZEY Şekil 3.2 Siyah boyalı ve seçici yüzeyli plakalarda güneş ışınımının yutulması ve ısı ışınlarının yayılması Farklı uygulama alanlarına bağlı olarak geliştirilen toplayıcı tipleri ve çalışma sıcaklıkları Tablo 3.1’de verilmiştir. Ülkemizde sıcak su ısıtma amaçlı olmak üzere 2.5- 3 milyon m2 kurulu toplayıcı alanı mevcut olup, yıllık toplayıcı üretimi 400-500 bin m2 düzeyindedir. Özellikle, güneş enerjisi potansiyelinin yüksek olmasından dolayı Akdeniz ve Ege Bölgelerinde yoğun olarak kullanılmaktadır. Tablo 3.1 Farklı toplayıcı tiplerinin uygulama alanları ve çalışma parametreleri [Marko, 1994] 554 Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan diğer bir toplayıcı tipi ise havalı güneş toplayıcılarıdır (Şekil 3.3). Havalı güneş toplayıcıları; yutucu yüzey ve çalışma akışkanı hava yardımıyla güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Yutucu yüzeye gelen güneş ışınlarının büyük bir kısmı burada yutulur ve taşınım ile sistemde dolaştırılan çalışma akışkanı havaya aktarılır. Toplayıcılardan elde edilen yararlı ısı; toplayıcıdan geçirilen çalışma akışkanının giriş ve çıkış entalpi farkına eşittir. Yutucu yüzey olarak kanatçıklı metal levhalar, V-şekli verilmiş metaller, düz metal levhalar, içinden çalışma akışkanın geçtiği ağ şeklinde malzemeler, yarılmış ve açılmış metaller, sentetik ve doğal kürkler kullanılmaktadır. Yutucu yüzey ile çalışma akışkanı arasında ısı transfer katsayısı küçük olduğundan seçilen malzemenin ısı transfer alanı/hacim oranının büyük olması gerekmektedir. Bu şekilde ısı transfer alanı artacağından çalışma akışkanına aktarılan enerji miktarı da artar. Yutucu yüzeyin pürüzlü olması ısı transferinde artışa neden olur. Pürüzlülük ısıl verimi olumlu yönde etkilerken, toplayıcıda oluşacak basınç kaybını dolayısıyla fan gücünü artırır. Geçirgen örtü Geçirgen örtü B A Akış B A A - A Kesiti B - B Kesiti Geçirgen örtü C Doğrusal Kanatlar Kaydırılmış C Kanatlar C - C Kesiti U - kanatlar Şekil 3.3 Havalı güneş toplayıcıları 555 Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan havalı ve sıvılı güneş toplayıcıların uygulama alanları olarak; kullanım suyu ısıtması, konut ısıtması, sera ısıtması, tarımsal ürünlerin kurutulması, büyük hacimlerin ısıtılması ve soğutulması olarak sıralanabilir. a) Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri: Güneş enerjili su ısıtma sistemleri özellikle maliyet ve çevre şartları dikkate alınarak kurulmalıdır. Uygulamada kullanılan güneşli su ısıtma, genellikle doğal dolaşımlı sistemlerdir. Uygulama şartlarına bağlı olarak ters dolaşımlı, aşağıya doğru boşaltmalı, geriye doğru boşaltmalı ve donmayan sistemler tercih edilebilir. Doğal dolaşımlı su ısıtma sisteminin toplayıcısında güneş radyasyonunun yutulması sonucunda, yutucu plaka kanallarında dolaşan su ısıtılır. Isınan suyun yoğunluğu azalarak, kendiliğinden yükselir ve depolama tankına üst kısımdan girer. Depolama tankının alt kısmındaki soğuk su, yer çekiminin etkisi ile dışarı çıkar ve toplayıcının alt kısmına ulaşır. Bu dolaşım, toplayıcı ve depolama tankı sıcaklıkları birbirine eşit oluncaya kadar devam eder. Güneş radyasyonunun şiddeti arttıkça, akışkanın dolaşım hızı da artar. Sıcak su kullanılmak istendiğinde, su depolama tankının üstünden alınır. Suyun sıcaklığı yeterli değilse, yardımcı bir enerji kaynağı ile ısıtmaya devam edilerek istenilen sıcaklığa ulaşılır (Şekil 3.4a). Şekil 3.4b’de ise zorlanmış dolaşımlı bir sistem görülmektedir. Bu sistemde genel olarak pompa, diferansiyel termostat, sıcak su deposu, ve tek yollu çek valf bulunur. Toplayıcı devresinde şebeke suyu dolaştırılmaktadır. Ek ısıtıcı ise sıcak su deposunun dışındadır. Burada suyun dolaşımı bir pompa ile sağlanmaktadır. Bu sistemin en önemli avantajlarından birisi ise depoyu istenilen yere monte imkanı vardır. Şekil 3.4c’de ise zorlanmış dolaşımlı kapalı devreli bir sıcak su sistemi verilmiştir. Toplayıcı devresinde dolaşan antifirizli su bir ısı değiştiricisi ile sıcak su deposu içerisinden geçirilmekte ve yeniden toplayıcıya pompalanmaktadır. Zorlanmış dolaşımlı kapalı devreli sıcak su sistemlerinde genellikle iki depo kullanılır (Şekil 3.4d). Burada ısı eşanjörü deponun dışındadır [Tırıs, 1997, Uyarel, 1987, Jansen, 1985]. 556 Şekil 3.4 Güneş enerjili sıcak su sistemleri b) Güneş Enerji ile Kurutma: Kurutma, özellikle gıda, kimya, seramik, kağıt, tekstil ve deri sanayilerinin temel işlemlerinden birisidir. Gıda endüstrisinde kurutma ile, meyve ve sebzelerin besin değerlerini kaybetmeden uzun süre saklanabilmesi ve korunabilmesi amaçlanmaktadır. Kurutma ile besin maddesindeki su yüzdesi azaltılarak meyve asidi, amino asidi gibi zararlı enzimlerin faaliyeti de durdurulmaktadır. Güneş enerjisi ile kurutma, kurutulacak malzemeyi direkt güneş radyasyonu etkisinde bırakarak veya güneşle ısıtılan havayı doğal veya zorlanmış dolaşımla malzemenin üzerinden veya içinden geçirerek sağlanır. Bu sistemlerde güneş ışınımının yanı sıra dış hava sıcaklığı, bağıl nem ve hava hızı da kurutma hızını etkilemektedir. Güneşli kurutucular, açık havada yapılan kurutmanın belli başlı mahzurlarını telafi etmektedir. Bu kurutucular yalnız başlarına kullanılabildikleri gibi 557 fosil yakıtlı sistemlerle birlikte de kullanılabilmektedir. Güneş enerjili kurutma sistemlerinin güneşte doğal kurutmaya göre avantajları şu şekilde sıralanmaktadır: (i) Kurutulacak ürün tozlanma, zararlı böcekler ve yağmur gibi dış etkenlerden korunabilmektedir, (ii) Kurutulacak ürünün düzgün yerleştirme ve yeterli hava sirkülasyonu ile homojen kurutulması sağlanabilmektedir, (iii) Kurutma havası, ürünün zarar görmeyeceği en yüksek sıcaklığa kadar ısıtılabilmektedir, (iv) Kurutma ortamına hava giriş ve çıkış debileri ile kurutma hızları kontrol edilmektedir. Güneş enerjili kurutma sistemlerinde, kurutulacak ürünün cinsine göre direkt veya indirekt kurutucular kullanılır. Direkt kurutucularda ürün direkt olarak güneşin etkisine bırakılır. İndirekt kurutucularda ise ürün kapalı, izolasyonla korunan kurutma odasına yerleştirilir. Direkt kurutucularda ürüne ısı transferi taşınım ve radyasyon ile gerçekleşir. Bundan dolayı kurutma oranı; indirekt güneş ışınımının etkisinde kalış biçimine, kurutucudan geçen kurutma havasının atılış biçimine ve kurutucu hacminde dolaşan havanın sıcaklığına göre sınıflandırılabilmektedir. Şekil 3.5’de farklı çalışma koşulları için dizayn edilen kurutma sistemleri verilmektedir. Güneşin kurutulan ürün üzerine başka etkileri görülmektedir. Örneğin; üzüm ve hurmaların kurutulmasında güneş ışığı etkisi altında kalmak kurutulan ürünün renk oluşumu için gereklidir. Oysa bazı meyvelerin kurutulmasında güneş ışığı etkisi altında kalmak C vitamını miktarını azaltmakta veya renk oluşumunu ters olarak etkileyebilmektedir. Bu nedenle kurutucu seçiminde kurutulan ürünün özellikleri de dikkate alınmalıdır [Elagöz, 1990, Kahveci, 1992, Akyurt, 1971, Mujumdar, 1995]. 558 Şekil 3.5 Güneş enerjisi ile kurutma prosesleri ve çeşitli kurutucu dizaynları. c) Güneş Enerjisi İle Damıtma: Güneş ışınımı yüksek olan deniz kıyısında bulunan bölgelerde ve adalarda ulaşım imkanlarının güç olması nedeniyle güneş enerjili damıtıcılar büyük kolaylık sağlamaktadır. Deniz suyundan tatlı su üretiminde faydalanılan geleneksel sistemlerin enerji işletme maliyetlerinin yüksek oluşu, hava kirliliğine yol açmaları, pahalı ve hassas cihazlar kullanma zorunluluğu gibi olumsuz yönleri vardır. Deniz suyunun içilebilir hale getirilmesinde güneş enerjisinin kullanılması yukarıda sayılan olumsuzlukları ortadan kaldırmaktadır. Deniz suyundan tatlı su üretiminde iki temel yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi suyu çözeltiden ayıran buharlaştırma, dondurma, kristalleşme ve filtreleme olup ikincisi ise suyu çözeltiden ayıran elektrodiyaliz, ekstraksiyon, iyon değişimi ve difüzyon sistemleridir. Güneş enerjisi ile suyun damıtılmasında yaygın olarak kullanılan basit sera tipli damıtıcı Şekil 3.6’de görülmektedir. Bu tip damıtıcıda tuzlu suyun bulunduğu bölümün tabanı güneş ışığını absorplaması için siyaha boyanmıştır. Üstte ise hava sızdırmaz geçirgen bir kapak mevcuttur. Cam kapak, toplama kanalına doğru eğimlidir. Cam kapaktan geçen güneş ışınları, su ve siyah yüzey tarafından yutulur. Bu enerji, tabandaki tuzlu suyu ısıtır ve bir kısım tuzlu suyun ısınmasına ve buharlaşmasına neden olur. Su yüzeyine yakın bölgelerde nem artar, dolayısıyla kapalı sistemde taşınım akımları oluşur. Daha ılık nemli hava, daha soğuk cama doğru yükselir. Burada su buharının bir kısmı cam yüzeyinde yoğuşur, aşağıya doğru kayarak toplama kabına damlar ve temiz su alınır. Damıtıcıdaki soğuk su güneş radyasyonuna bağlı olarak ısınır. Su sıcaklığı yükseldikçe damıtma işlemi hızlanır. 559 Damıtma gün boyunca yavaş yavaş ilerlemesine karşılık, güneş batışından sonra çevre sıcaklığının düşmesine bağlı olarak cam sıcaklığının düşmesiyle artar. Güneş enerjili damıtıcıların veriminin arttırılması için çalışmalar devam etmektedir. Farklı tiplerde damıtıcılarda imal edilmektedir [Fynn, 1983] . Günes isigi Cam örtü Su girisi Toplama kabi Izolasyon malzemesi Yutucu yüzey Deniz suyu Şekil 3.6 Basit sera tipi güneş enerjili damıtma sistemi. d) Güneş Enerjisi ile Soğutma: Soğutmaya ihtiyaç duyulan mevsimde güneş enerjisinin bol olması, bu kaynağın soğutma amacıyla kullanılmasını cazip kılmaktadır. Soğutma, hem sıcaklık konforunu sağlamak hem de gıda maddeleri gibi dayanımı az olan maddelerin depolanması için gereklidir. Güneş enerjisi ile soğutma son yıllarda araştırması yapılan güneş enerjisi uygulamaları içinde önemli bir yer tutmaktadır. Soğutma işlemleri için güneş enerjisi; Rankine çevrimli mekanik buhar türbinli sistemlerde, absorbsiyonlu sistemlerde, termoelektrik sistemlerde, ejektörlü sistemlerde, adsorbsiyonlu sistemlerde, Brayton çevrimli mekanik sistemlerde, gece ışınım etkili sistemlerde ve fotovoltaik ünitelerde enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Bu sistemler içinde absorbsiyonlu soğutma sistemi, düşük sıcaklık uygulamaları için en uygun olanıdır. Kapasite kontrolünün basitliği, yapım kolaylığı ve performans katsayısının yüksekliği absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin avantajlarıdır. Termoelektrik soğutma sisteminde, kullanılan güneş enerjisi hücrelerinin pahalı olmasından dolayı, kullanımı yaygın değildir. Ejektörlü soğutma sistemi ise ekonomik nedenler ve düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarının sağlanmamasından dolayı diğer sistemlere göre daha az avantajlı sayılmaktadır. Adsorpsiyonlu sistem, evaporatif soğutma ile bazı nem alma maddeleri tarafından 560 havanın neminin giderilmesi işleminden oluşmaktadır. Düşük sıcaklıklarının elde edilmesi ve ekonomik olmaması nedeniyle çok sınırlı olarak klima uygulamalı için kullanılmaktadır. Brayton çevrimli mekanik sistem ekonomik olmaması, düşük performans katsayısı ve sistem karmaşıklığı gibi dezavantajlar göstermektedir. Ayrıca gece ışınım etkili güneş enerjisi elemanları kullanılan bu sistemde soğutma, ışınımla ısı transferi yoluyla gece gökyüzüne enerji kaybedilmesi şeklinde oluşmaktadır. Bu sistemde düşük sıcaklıkların elde edilmemesi ve uygun meteorolojik koşullar gerektirmesi nedeniyle tercih edilmemektedir. Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde, Amonyak-Su ve Lityum BromürSu akışkan çiftleri başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Amonyak-su kombinasyonlu absorbsiyonlu soğutma sistemi gıdaların soğukta saklanmasında gerekli olan düşük sıcaklıklar için oldukça elverişli olmaktadır. Aynı zamanda ucuz ve ticari olarak kullanılabilmektedir. LityumBromür-Su kombinasyonu ise hava şartlandırma (klima) uygulamaları için uygun olmaktadır. Absorpsiyonlu soğutma çevriminde, soğutucu akışkan ve soğutucu akışkan gazını absorblayan sıvı akışkan (absorbent) bulunur. Şekil 3.7’de görüldüğü gibi güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi; generatör, absorber, evaporatör, kondenser gibi dört ana elemandan oluşmaktadır. Absorberde bulunan çözelti, bir sıvı pompası ile basınçlandırılarak generatöre gönderilir. Güneş enerjisinden sağlanan ısı ile soğutucu akışkan absorbentten ayrılır. Generatöre ısı verilerek karışımdan ayrılan soğutucu geçer. Sıvı haldeki soğutucu akışkanın basıncı düşürülerek evaporatöre gönderilir. Burada basıncı düşen soğutucu akışkan ortam ısısını alarak buhar haline geçer ve absorbere ulaşır [Duffie, 1991, Külünk, 1983, Uyarel, 1987]. 561 Şekil 3.7 Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi e) Güneş Enerjisi ile Pişirme: Güneş ocakları, dünyada güneş enerjisi potansiyeli yüksek olan Hindistan, Pakistan ve Çin gibi ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Çin’de bugün 400.000’den fazla güneş ocağı kullanılmaktadır. Güneş ocaklarının, gereken ısının depolanamaması, güneş ışınımının düşük olduğu saatlerde kullanılamaması gibi dezavantajları vardır. Daha çok gelişmekte olan ülkelerdeki araştırıcılar tarafından geliştirilen modeller ticari olarak da kullanım potansiyeli bulmuştur. Ayrıca kamplarda ve pikniklerde kullanılmak üzere katlanabilir, yansıtıcılı, kolay taşınabilir yapıda güneş ocakları geliştirilmektedir. Isı kutulu güneş ocağı Şekil 3.8‘den de görüldüğü gibi birkaç tabakalı cam veya geçirgen örtü ile yalıtılmış bir kaptan oluşmuştur. Bu tip ocaklarda sera etkisinden yararlanılır. Burada geçirgen örtü kısa dalga boylu güneş ışınımının geçişine izin verirken, iç ortamdaki düşük sıcaklıktaki maddelerin yaydığı uzun dalga boylu ışınların geçişine izin vermez. Ayrıca pişirme hacmi üzerine gelen güneş ışınımını artırmak için aynalar kullanılabilmektedir. Parabolik yansıtıcılı güneş ocaklarında ise pişirilecek malzeme yoğunlaştırıcının odak noktasına yerleştirilir. Bu tip sistemler günün büyük bir kısmında verimlidir, çünkü güneşin hareketini takip etmek için yönlendirilebilirler. Fakat açıkta çalıştıkları için rüzgarın konveksiyonundan dolayı büyük ısı kayıpları meydana gelebilir. Güneş fırınları ise ısı kutulu güneş ocaklarına benzer prensiple çalışırlar. Bu sistemde doğrudan gelen güneş ışınımı yansıtıcılar kullanılarak 562 yoğunlaştırılır. Böylece fırın içinde doğrudan yüksek sıcaklıklara ulaşmak mümkün olmaktadır [Jansen, 1985]. Şekil 3.8 Isı kutulu güneş ocağı (f) Tuz tabakalı güneş havuzu: Güneş enerjisinden düşük sıcaklıkta (100oC’ nin altında) ısı enerjisi üreten sistemlerden birisi de tuz tabakalı güneş havuzlarıdır(TTGH). TTGH sistemi, normal bir havuz tabanındaki konveksiyon akımlarını tamamen engellemek veya en alt seviyeye indirmek böylece havuz tabanındaki ısı enerjisini orada muhafaza etmek amacıyla gelişme aşamasında bulunan bir tekniktir. Bu sistemlerle ısıyı tabanda 3-4 ay kadar tutmak mümkündür. Tabanda toplanan ısı enerjisi, proses ısısı olarak kullanılabileceği gibi alçak basınç ve sıcaklıkta buharlaşabilen freon ve amonyak gibi akışkanlar sayesinde elektrik enerjisi üretiminde de kullanılabilir. TTGH sistemi genel olarak iki veya üç tabakadan oluşur. En alt tabaka homojen bir tuz konsantrasyonuna sahiptir. Üstteki tabakalar ise yüzeyden tabana doğru artan bir tuz konsantrasyonuna sahiptir. TTGH sisteminde tabanda depo edilen ısı enerjisi uygun bir ısı değiştiricisi yardımıyla çekilmesi mümkündür. Şekil 3.9’da bir TTGH sistemi ile elektrik üretimi prensibi verilmiştir [Dickinson, 1980, Külünk, 1983]. 563 Şekil 3.9 TTGH sistemi ile elektrik üretimi 3.2.2 Orta Sıcaklık Uygulamaları 100-350°C arasındaki orta sıcaklıklar uygulamalarında güneşi izlemeyen silindirik odaklı toplayıcılar kullanılır. Odaklı toplayıcılar güneş ışınlarını yansıtarak veya kırarak belli bir yerde toplayabilen ayna ve mercek sistemleridir. Yani bunlar, odak düzleminde, ısı iletim akışkanını içeren bir yutucu bulunan ayna veya mercekli sistemlerdir (Şekil 3.10) 564 Şekil 3.10 Işınımın yansıtıcı yüzey veya ışın kırıcı yüzey ile (a) bir noktaya (b) bir doğruya yoğunlaştırılması (Kılıç, 1983). Aynalardan oluşan odaklı toplayıcılar, güneş ışınlarını tek bir kez veya ardarda iki kez yansıtarak yoğunlaştırır. Aynalar, düz silindirik, konik, küresel veya parabolik olabilir. Yoğunlaştırıcı toplayıcı tek bir ayna veya mercekten ibaret olabileceği gibi birçok ayna veya mercekten de oluşabilir. Şekil 3.11’de farklı tipte tasarlanmış yoğunlaştırıcılı sistemler gösterilmiştir [Duffie, 1991]. Bu sistemlerde güneş ışınları bir toplama hattı üzerine yoğunlaştırılmaktadır. Su buharı üreten bu sistemlerden bir kısmı Avusturalya, Avrupa, ABD ve Japonya’da endüstriyel uygulama bulmuştur. 565 Şekil 3.11 Farklı tipte tasarlanmış yoğunlaştıran toplayıcılar: (a) arka plandaki yansıtıcıdan yansıyan ışınları yutan boru tip, (b) eğri yüzeyli yansıtıcıdan yansıyan ışınları yutan boru tip, (c) düzlem yansıtıcılı düzlem yutuculu tip, (d) parabolik yoğunlaştırıcı tip, (e) Fresnel yansıtıcı, (f) kuleye yoğunlaştırıcılı tip 3.2.3 Yüksek sıcaklık uygulamaları Güneş enerjisinden 350°C ve daha yüksek sıcaklıklar elde edilmesinde, iki eksende güneşi izleyen ve çok sayıda aynalardan oluşan güneş fırınları ya da merkezi toplayıcı güneş kuleleri kullanılmaktadır. Tek tek yönlendirilmiş “heliostat” adı verilen aynalar güneş enerjisini bir kule üzerindeki sabit noktaya yoğunlaştırmaktadır. Güneş fırınları ve kuleleri madenlerin ergitilmesinde ve elektrik üretiminde kullanılır. Güneş enerjili termal elektrik üretimi, bilinen elektrik üretim yöntemleriyle benzerlik gösterir. Bu enerji dönüşüm sistemlerinde, ya bir türbini döndürmek için gaz veya buhar kullanılır ya da bir pistonun ileri geri hareketi ile Stirling motoru çalıştırılır. Güneş enerjili termal güç sistemlerinde direkt güneş ışınımının yoğunlaştırılması suretiyle buhar ya da sıcak gaz üretilir. Güneş termal güç teknolojileri şu şekilde gerçekleşmektedir: • • • • • Bir kollektör sistemi kullanarak güneşten gelen radyasyonunun toplanması Bir toplayıcı üzerine güneş radyasyonun yoğunlaştırılması Toplayıcı yardımıyla güneş radyasyonunu termal enerjiye çevirme Termal enerjinin bir güç dönüşüm sistemine transferi Termal enerjiyi elektrik enerjisine çevirme Güneş enerjisi ile elektrik üretimi termoelektrik dönüşüm ve fotoelektrik dönüşüm ile elde edilmektedir. Termoelektrik dönüşümde güneş yoğunlaştırıcısı 566 olarak; parabolik aynalar, çanaklar veya heliostatlar kullanılır. Akışkanın güneş radyasyonu ile ısıtılarak buharlaştırılması ve buharın bir turbo-jenetörü çevirmesi sağlanır. Bu sistemlerin ulaşılması güç bölgelerde ve köylerde elektrik enerjisi olarak kullanımını sağlamak ve enterkonnekte sisteme bağlamak için çalışmalar devam etmektedir. Bu sistemlerden en büyüğü, Kaliforniya’da 354 MW pik gücü üreten bir tesis olup 1985 ile 1991 yılları arasında kurulan 9 adet Güneş Elektrik Üretim Sistemi (SEGS) dünyada ağa bağlı olarak üretilen elektriğin % 90’nını kapsamaktadır. Bu tesis 1 milyon metrekareden fazla güneş toplayıcısından ibarettir. SEGS tesislerinde üretilen elektriğin maliyetinin % 25’ini bakım ve üretim masrafları oluşturmaktadır. Düşük fosil yakıt fiyatlarından dolayı elektrik üreten konvensiyonel fosil yakıt tesislerle, elektrik ağına bağlı güneş enerjili elektrik tesislerinin rekabet etmesi günümüzde oldukça zordur. Çanak sistemler güneşi izlerler ve güneş enerjisini yutacak olan alıcıya odaklarlar. Yüksek verimlerinden dolayı bu sistemlerde Stirling makineleri tercih edilmektedir. Son on beş yıl içerisinde 2 kW ile 50 kW arasında büyüklüğe sahip, 8 farklı çanak alıcı ABD, Almanya, Japonya ve Rusya’daki şirketler tarafından imal edilmiştir. Üretici firmalar, bu sistemleri, su pompalaması ve uzak bölgelerde enerji temini için ihraç etmektedirler. Gelecek yıllarda bu sistemlerle köy elektrifikasyonu gerçekleştirilecek ve mevcut enerji dağıtım şebekesine enerji sağlanacaktır. 3.3 Güneş Enerjisinin Yoğunlaştırılmasında Kullanılan Teknolojiler Yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemleri, güneşten gelen enerjiyi çeşitli ayna düzenekleri kullanarak yüksek sıcaklıkta ısı enerjisine dönüştürürler. Isı daha sonra bilinen yöntemlerle elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu sistemler başlıca iki ana kısımdan oluşur. Birinci kısımda güneş enerjisi toplanır ve ısı enerjisine dönüştürülür. İkinci kısımda ise ısı elektrik enerjisine dönüştürülür. Yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemleri hem evsel enerji ihtiyacını karşılayacak şekilde düşük güçler için (10kW), hem de 100MW’a kadar merkezi enerji nakil sistemini besleyecek şekilde büyük güçler için tasarlanır. Geliştirilmiş bazı sistemlerde fazla gelen güneş enerjisi, bulutlu havalar ve geceleyin kullanım için depolanır. Bir çok sistem diğer enerji kaynaklarıyla örneğin doğal gazla birlikte çalışır. Bu birleşik sistemler ‘’hibrit güç sistemleri’’ olarak da bilinir ve yüksek güç verirler. Bir çok bölgede yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemlerinin kurulabilmesi için yeterli güneş enerjisi mevcuttur. Bu sistemler, ‘’fotovoltaik’’ dönüşüm sistemlerinde olduğu gibi yaygın güneş radyasyonundan ziyade direkt güneş ışınımını kullanırlar. Dünyanın bir çok bölgesi yoğunlaştırılmış güneş enerjili sistemlerinin kullanılması için önemli bir uygulama alanıdır. Üç farklı tipte yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemi vardır. Bunlar; parabolik tekne, ayna/motor ve güneş kulesi sistemleridir. Bu 567 sınıflandırma güneş enerjisini [http://www.eren.doe.gov/csp]. toplama biçimine göre yapılmıştır (a) Parabolik Tekne sistemleri: Güneş enerjisi; tekne şeklinde parabolik eğri yüzeye sahip bir yansıtıcı eleman yardımıyla yoğunlaştırılır. Yansıtıcı yüzey üzerinde parabolik eğri boyunca hareket eden yutucu bir boru mevcuttur. Şekil 3.12’de bu sistem görülmektedir. Güneşten gelerek boru üzerine yoğunlaştırılan ışınlarla boru içerisindeki çalışma sıvısı ısıtılır. Daha sonra ısı enerjisi yardımıyla üretilen buhar, bir buhar türbini-jeneratör sisteminden geçirilerek elektrik enerjisi üretilir Bu sistemler, gece boyunca ve güneşin olmadığı saatlerde de düzenli bir şekilde elektrik üretebilmesi için ayrıca bir termal enerji depolama sistemlerine de sahiptirler. Genelde parabolik tekne sistemleri hibrit sistemler olup, bulutlu havalarda ve geceleyin sürekli enerji üretimini sağlamak için fosil yakıt kullanan sistemler de devreye girmektedir. Burada fosil yakıt olarak doğal gaz veya kömür kullanılır. Parabolik tekne sistemlerinde yoğunlaştırma oranı 10 dan 100’e kadar çıkabilirken sıcaklık da 400oC ‘a kadar çıkabilir. Bir toplayıcı tarlası, kuzey - güney ekseni üzerine paralel sıralanmış bir çok çanaktan oluşur. Bu düzenek güneş ışınlarının gün boyunca doğudan batıya doğru tek eksenle izlenmesine ve sürekli olarak yutucu boru üzerine odaklanmasına imkan verir. Parabolik teknelerden oluşan bir toplayıcı tarlası sistemi ile ticari olarak toplam kapasitesi 350 MW ’dan daha büyük sistemler oluşturmak mümkündür. Bu tip güneş enerjili elektrik sistemlerinde ısı transfer akışkanı olarak termal yağ kullanılır, Bu ısınmış yağ boru hatları yardımıyla bir seri ısı eşanjörüne gönderilerek 390oC sıcaklığa kadar ısıtılmış buhar elde edilmesini sağlar. Süper ısıtılmış buhar bir türbinden geçirilerek elektrik enerjisi üretilir. Bu elektrik lokal enerji hatlarını besleme için de kullanılır. Bu sistem üzerindeki araştırmalar devam etmektedir. Çalışmalar daha ziyade toplayıcı içinde buharı direkt üretmeye yönelik olmaktadır. Böylece daha düşük üretim maliyetine ulaşılması hedeflenmektedir. Güneş enerjili hibrit sistemler de bir diğer araştırma konusudur. Bu konuda; özellikle İsrail, Almanya ve İspanya ‘da çalışmalar yapılmaktadır. Bu teknolojiyi ayrıca; evlerde, hapishanelerde, restaurantlarda, okullarda, küçük üretim atölyelerinde, çamaşırhanelerde de kullanmak mümkündür. 568 Şekil 3.12 Parabolik tekne sistemi (c) Çanak/Motor Sistemleri: Çanak motor sistemleri başlıca; yansıtıcı, toplayıcı ve bir motordan oluşan başlı başına bir ünitedir. Güneş enerjisi, çanak biçimli bir yüzey tarafından bir alıcı yüzey üzerine nokta şeklinde yoğunlaştırılır. Alıcı yüzey de bu toplanan enerjiyi ya termal enerjiye dönüştürür ve direkt ısı enerjisi olarak kullanılmasını sağlar ya da bir motor içerisindeki çalışma akışkanına aktarır (Şekil 3.13). Motor ise ısıyı mekanik güce çevirir. Soğukken sıkıştırılmış akışkan, güneş enerjisi yardımıyla ısıtılır ve bir türbin veya silindir piston sisteminde genleşirken iş üretir. Bu mekanik güç bir jeneratör veya bir alternator yardımıyla elektriksel güce dönüştürülür. Çanak-motor sistemleri güneşi iki eksende izlerler. İdeal yoğunlaştırıcı şekli paraboliktir. Üç yada tek bir yansıtıcı yüzeye veya bir çok yansıtıcıdan oluşan bir yüzeye sahiptir. Alıcı yüzey ve motor tipi için başlıca Stiriling motor ve Brayton alıcısı gibi bir çok seçenek vardır. Çanak motor sistemleri bugün ticari olarak üretilmemektedir. Tek bir çanak motor sistemleri ile 25kW kadar güç üretmek mümkündür. Amerika ve Avrupa’da kırsal bölgelerde 7.5-25kW boyutunda uygulamalar yapılmaktadır. Daha fazla güç için çanak sistemlerini birleştirmek gerekmektedir. Bu tip sistemler doğal gazla birleştirildiğinde hibrit sistemler olarak sürekli güç üretebilecek duruma 569 getirilirler. Çanak-motor sistemleri; yüksek verimli, ayarlanabilir, bağımsız operasyonlu ve hibrit sistemlerle beraber çalışabilen bir sistem olarak karakterize edilir. Diğer güneş enerjili sistemlerden farklı olarak çanak-motor sistemleri yüksek elektrik dönüşüm verimine sahiptir (% 29.4). Bu sistemler kırsal bölgelerin enerji ihtiyacını karşılamak için önemli bir alternatif olma durumundadır. Şekil 3.13 Çanak-motor sistemleri Yansıtıcı yüzey cam veya plastik olup gelen güneş radyasyonunu bir nokta üzerine yansıtır. Çanak-motor sistemlerinde yansıtıcı yüzeyin boyutu kullanılan makinanın gücü ile belirlenir. Örneğin ortalama 1000 W/m2 ‘lik bir güneş radyasyonu için 25kW gücünde bir çanak /stirling sistemi kullanılması durumunda yoğunlaştırıcının çapı yaklaşık 10 m olarak seçilir. Yoğunlaştırıcıda alüminyum veya gümüş yansıtıcı bir yüzey kullanılır bunun da üzerinde cam veya plastik tabaka vardır. Düşük fiyatlı yansıtıcı polimer filmler henüz sınırlı bir başarıyla kullanılmaktadır. Çanak yoğunlaştırıcılar küçük bir odak uzaklığına sahiptir. Düşük demir ihtiva eden camlar yansıtmayı artırmaktadır. Kalınlık ve demir içeriğine bağlı olarak gümüşlü güneş aynaları ile yansıtma oranı %90–94 arasında sağlanır. En ideal yoğunlaştırıcı şekli paraboloiddir. Yoğunlaştırma oranı 2000 ve üzeridir. Güneşin iki eksenli izlenmesi iki şekilde olur. Bunlar Azimut-yükseklik izleme ve kutupsal izlemedir. Azimut yükseklik izlemede; çanak, dünya azimutuna paralel olarak döner, diğer hareket ise buna dik olarak gerçekleşir. Bu kollektörde sol-sağ ve yukarı aşağı şekilde bir dönme sağlar. Dönme oranı gün boyunca değişir. Fakat bu kolayca hesaplanır. Büyük çanak motor sistemlerinde çoğunlukla bu yöntem izlenir. Kutupsal izleme yönteminde kollektör; dünyanın kendi dönme eksenine paralel bir eksen etrafında 15o/saat olacak şekilde sabit bir hızla döndürülür. Diğer dönme ekseni ise, sapma ekseni kutupsal 570 eksene diktir. Bu eksen etrafındaki hareket yavaş olup yıl boyunca -+ 23.5o olarak değişir. Küçük boyutlu çanak motor sistemlerimin büyük çoğunluğu bu sistemi uygularlar. Şekil 3.14a’da güneş açıları ve Şekil 13b’de ise izleme sistemleri görülmektedir. Burada Ψ yüzey azimut açısını, θ zenit açısını göstermektedir [Dunn, 1986]. Şekil 3.14a Güneş açıları Şekil 3.14b Güneş izleme prensibi Alıcılar, yoğunlaştırıcı tarafından yansıtılan enerjiyi absorbe ederek makinadaki çalışma sıvısına aktarırlar. Yutucu yüzey, genellikle yoğunlaştırıcının odak noktasının arkasında bulunur. Odağa radyasyon ve konveksiyonla meydana gelen ısı kayıplarını düşürmek için bir menfez yerleştirilir. Stirling motor, yoğunlaştırılmış güneş enerjisini yüksek verimle alır ve bunu yüksek basınçlı bir gaza (helyum veya hidrojen) aktarır. Brayton çevrimli bir sistemde ise akışkan düzenli olup fakat göreceli olarak daha düşük basınçtadır. Çanak-motor sistemlerinde kullanılan motorlar geleneksel sistemlerde olduğu gibi ısıyı mekanik güce çevirirler. Yani çalışma sıvısı soğukken sıkıştırılır, sıkıştırılmış akışkan ısıtılır, Bir türbin veya piston silindir sisteminde genleşirken iş üretilir. Mekanik enerji bir jeneratör yardımıyla elektrik enerjisine dönüşür. Çanak-motor sistemlerinde bir çok termodinamik çevrimi ve çalışma sıvısını kullanmak mümkündür. Bunlar örnek olarak su veya organik çalışma sıvısı kullanan Rankine çevrimini, açık ve kapalı Brayton çevrimini ve Stirling çevrimini verebiliriz. Otto ve dizel motor çevrimleri bu sistemler için uygun değildir. Çanak Stirling 571 sistemlerinde elektriksel güç yaklaşık 25kW, Brayton çevrimlerinde yaklaşık 30kW’dır. (c) Güneş kulesi: Güneş kulesi sisteminde güneşten gelen direkt ışınlar, geniş bir alana yayılmış yüzlerce hatta binlerce aynalar (bunlar heliostat olarak da bilinir) yardımıyla kule üzerindeki toplayıcı üzerine yoğunlaştırılır. Toplayıcı içerisinden dolaştırılan tuzlu eriyiğin, bu yoğunlaşan enerji yardımıyla sıcaklığı artırılır. Bu tuzlu eriyiğin ısı enerjisi daha sonra elektrik enerjisi üretmek amacıyla bir geleneksel buhar türbini-jenerator sisteminde kullanılır. Tuzlu eriyik ısıyı verimli bir şekilde tutar. Böylece ısı, saatlerce veya hatta günlerce elektrik enerjisi üretilmeden muhafaza edilir. Şekil 3.15’de bir güneş kulesi sistemi görülmektedir. Şekil 3.15 Güneş kulesi sistemi Tuzlu eriyik 277oC sıcaklıkta soğuk depolama tankından kule üzerindeki bir toplayıcı içerisine pompalanır. Burada 777oC’a kadar ısınarak bir sıcak tanka gönderilerek depolanır. Güce ihtiyaç duyulduğunda sıcak tuzlu eriyik bir buhar üretme sistemine pompalanarak yüksek sıcaklıkta buhar üretilmesinde kullanılır. Buhar üretecinden çıkan tuzlu eriyik tekrar soğuk tanka gönderilerek depolanır ve yeniden toplayıcı 572 sisteme gönderilir. Bir termal depolama ile birlikte güç kulesi sistemi yıllık %65 kapasite faktörü ile çalışır. Bunun anlamı, yılın %65’inde ilave bir enerji kaynağı kullanmadan çalışabilirler. Enerji depolamadan güneş teknolojilerinin yıllık kapasite faktörleri % 25 civarındadır. Güneş kulesi, bu depolama sistemi ve daha uzun süre çalışabilmesi özellikleri nedeniyle diğer yenilenebilir enerji teknolojilerinden ayrılır. Bu sistemler; ısı transfer akışkanı, ısı depolama ortamı ve güç dönüşüm sistemine bağlı olarak farklı şekillerde tanımlanırlar. Güneş kulesi sistemlerinde ısı transferi akışkanı olarak su/buhar, eriyik nitrat tuzu, sıvı metaller veya hava kullanılır. Termal enerji depolama, faz değiştiren maddeler veya seramik briketler yardımıyla sağlanır. Genelde Rankin buhar çevrimi uygulanmakla birlikte diğer bir alternatif olarak açık çevrimli Brayton güç dönüşüm sistemi de kullanılabilir. Güç kulesi sistemlerinde yoğunlaştırma oranı 300 ile 1500 arasında değişirken, sıcaklık 550oC’dan 1500oC’a kadar çıkabilir. Maksimum güç 10 MW ve üzeridir Isı transferi akışkanı olarak genelde iki farklı akışkan kullanılmaktadır. Bunlar su ve erimiş tuzlardır. Su ısı transferi için en eski ve en ucuz çözümdür. Tuz eriyikleri, bulutlu havalarda ve geceleri ısısını uzun süre sakladığı için çok iyi bir enerji depolayıcı malzemedir. Erimiş tuzlar genellikle %60 sodyum nitrat ve %40 potasyum nitrat ihtiva eder. Tuz yaklaşık 700oC’ da erir. 1000oC da ise hala eriyik halindedir. İzolasyonlu bir kapta uzun bir süre tutularak ihtiyaç olduğu anda suyu buharlaştırmak için hazır bekletilir. Bu tip bir enerji depolamanın verimi %99 civarındadır. %1lik kayıp ise izolasyon kayıplarıdır. Günümüzde güneş kulesi sistemlerinde nitrat tuzu ve havanın ısı transfer akışkanı olarak kullanılması konusunda araştırmalar devam etmektedir. Nitrat tuzunun depolama amaçlı kullanılması durumunda, güneşsiz ve bulutlu günlerde ve güneş battıktan sonra da gerekli güç üretilir. Çalışmalarda hedef nitrat tuzlu sistemlerle 100-200MW’lık güçler üretmek olmaktadır. Günümüzde sistemin maliyeti yüksek olduğu için az sayıda güneş kulesi vardır. Bu sistemlerin kurulabilmesi için bölgenin uzun süre ve çok yoğun güneş ışınımı alması gerekir. Tablo 3.2’de dünyada kurulu güneş kulesi sistemleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. 573 Tablo 3.2. Dünyada kurulu güneş kulesi sistemleri Proje Ülke SSPS EURELIOS SUNSHINE Solar One CESA-1 MSEE/Cat B THEMIS İspanya İtalya Japonya Amerika İspanya Amerika Fransa Güç (MW) 0.5 1 1 10 1 1 2.5 SPP-5 TSA Solar Two Rusya İspanya Amerika 5 1 10 Isı transfer akışkanı Sıvı Sodyum Buhar Buhar Buhar Buhar Nitrat eriyiği Yüksek teknoloji tuz Buhar Hava Nitrat tuzu eriyiği Depolama ortamı İşletmeye açılış Sodyum 1981 Nitrat tuzu/Su 1981 Nitrat tuzu/Su 1981 Yağ/Kaya 1982 Nitrat tuzu 1983 Nitrat tuzu 1984 Yüksek teknoloji 1984 tuz Su/Buhar 1986 Seramik 1993 Nitrat tuzu 1996 İlk güneş kulesi sisteminde; buhar türbini sisteminde kullanılan buhar direkt olarak üretilmiştir. ‘’Solar One’’ sistemi 1982 yılından 1998 yılına kadar dünyanın çalışan en büyük güneş kulesi sistemi olup, toplayıcı içerisindeki su buhara dönüştürülerek Rankin çevrimli bir buhar türbini sisteminde kullanılmıştır. Burada her birinin yansıtıcı yüzey alanı 39.3 m2 olan 1818 adet heliostat adı verilen güneşi izleyen aynalar kullanılmıştır. Gelecekte, güney batı Amerika’da 30-100 MW arasında bir güneş kulesinin planlanması düşünülmektedir. Dünyada Hindistan, Mısır ve Güney Afrika güneş kulesi sistemlerinin kurulması için aday ülkeler durumundadır. Teknolojik olarak 400 MW güce kadar güneş kulesi sistemi yapmak mümkündür. Çevre kirliliği yaratmayan enerji kaynakları gün geçtikçe daha fazla önemli olurken, tuz eriyikli güneş kulesi sistemlerinin maliyetli hala yüksek olmaktadır. Buna rağmen, enerji depolamalı güneş kulesi sistemlerinde yıllık kapasite faktörü %65 ‘e kadar çıkabilmektedir. Bu teknolojinin kullanılmasındaki önemli bir sorun da büyük bir yüzey alanına ve çok miktarda suya ihtiyaç duyulmasıdır. Çöllerde yeterli güneş enerjisi ve alan olmasına karşılık buralarda su temini zordur. Güneş kulesinde gerekli yüzey alanı hidrolik sistemlerle karşılaştırıldığında daha azdır. Şekil 3.16’da bir güneş kuleli hibrit sistem görülmektedir. Burada hem buhar hem de gaz türbini mevcut olup gaz türbininde sadece fosil yakıt kullanılmaktadır. Buhar türbininden güç üretiminde ise hem güneş enerjisi hem de fosil yakıt kullanılmaktadır. 574 Şekil 3.16 Güneş Kuleli Hibrit Sistem Şekil 3.17’de farklı kapasite faktörlerinde tasarlanmış iki güneş kulesi sistemi görülmektedie. Kapasite faktörünü verilen bir türbin boyutunda artırmak için şu yollar izlenir. a)heliostat sayısını artırmak, b)termal depolama tankını büyütmek, c) kuleyi yükseltmek, d)alıcı boyutlarını büyütmek. Böylelikle kapasite aktörünü %25’den %65’e çıkarmak mümkün olacaktır. 575 Şekil 3.17 Farklı kapasite faktörlerinde tasarlanmış güneş kuleleri Yoğunlaştırılmış güneş gücü teknolojileri, büyük ölçekli güç sistemlerinde (10 MW ve üzerinde) oldukça ekonomik olup kurulu gücün maliyeti bugünkü teknoloji ile 23$/Watt ‘dır. Yani 10MW’lık bir sistemin maliyeti 3 milyon USD olup burada üretilen elektriğin maliyeti ise 9-12cent/kWh’dir. Doğal gazlı kombine bir yoğunlaştırılmış güç sistemlerinde bu değer 8 centin altına düşmektedir. Teknolojideki gelişmeler ve düşük fiyatlı termal depolama sistemlerinin kullanılması ile yoğunlaştırılmış güneş enerjili sistemler günün daha fazla saatinde çalışma imkanı sağlayacaktır. Böylece elektriğin kWh ‘ini 4-5 cent civarına düşürmek mümkün olacaktır. 3.5 Fotovoltaik Pil Uygulamaları Güneş enerjisinin fotoelektrik dönüşümünde kullanılan fotovoltaik piller, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Fazla elektron bulunan n-tipi yarı iletken ile fazla boşluk bulunan p-tipi yarı iletken yan yana geldiği zaman tek bir kristal meydana getirmesi ve fazla elektronların boşluklara atlamasıyla doğru akım meydana gelir. Güneş pillerinin verimleri; tasarım, madde yapısı ve imalat şartlarına bağlı olarak % 6 – 35 arasında değişir. Şekil 3.18’de bir fotovoltaik pilinin yapısı görülmektedir. 576 Şekil 3.18 Fotovoltaik pil (a) pilin yapısı, (b) elektrik üretimi Güneş pillerinin 35 yıllık gelişiminde, özel ve kamu destekli araştırma ve geliştirme çalışmaları esas olmuştur. Güneş pili fiyatlarındaki düşüş ve elektrik üretiminde temiz bir enerji kaynağı olmasından dolayı kullanımında son yıllarda önemli bir artış görülmektedir. Güneş pilleri pahalı olmalarına karşın en önemli üstünlükleri; hiç bir hareketli parçaya sahip olmamaları, sorunsuz olarak az bakımla 25- 30 yıl kullanılabilmeleri ve çalışma süreleri boyunca doğaya hiç bir kirletici atık bırakmamalarıdır. Güneş pillerini oluşturan hücreler; ışığı emen, elektronları uyaran ve böylece akım taşımak için boşluklar oluşturan iki veya daha fazla özel hazırlanmış yarı iletken madde katmanı içerir. İki ayrı özelliğe sahip yarı iletken maddenin temas yüzeyi, elektronların bir devrede dolaşmasını sağlayacak bir gerilim oluşturur. Bu gerilimi kullanmanın bir yolu cihazda iki veya daha fazla ince yarı iletken madde katmanı kullanmaktır. Bu hücrelerin alanı bir kaç cm2 den 3-4 m2 ye kadar değişmekte ve silikon, galyum arsenit, şekilsiz silikon, bakır indiyum diselenit, kadmiyum tellürit ve bir çok farklı yarı iletken maddeden yapılmaktadır. Birçok hücreyi bir molekülde bağlamak daha yüksek bir güç çıkışı sağlar ve hücreler için koruyucu kaplama oluşturur. Fotovoltaik piller, modüller halinde olduğundan ihtiyaca göre boyutlandırılabilir. Yeni sistemlerin tasarımı, kuruluşu ve çalıştırılması veya var olan sistemlere ek yapılmasında geçen süre diğer konvansiyel güç üretim tekniklerinde gereken sürenin 577 küçük bir kısmıdır. Ayrıca bu sistemlerin basitliği, düşük çalışma ve bakım maliyeti sağlar. Fotovoltaik jeneratörleri çevirme işleminde, hiç bir hareketli parçası olmadığından dolayı bakım, tamir ve yedek parça maliyeti daha düşüktür. Çalışma maliyeti sıfırdır çünkü yakıt masrafının olmaması birim kWh başına enerji maliyetini düşürmektedir. Tipik bir sistemin kullanım süresi yaklaşık 20 yıldır. Güneş pili sistemlerinin maliyeti, temel olarak iki kısımda incelenebilir. İlki güneş pili modüllerinin maliyeti, ikincisi invertörler, elektronik denetim aygıtları, depolama, kablolama, arazi, altyapı hazırlama gibi sistem destek elemanlarının maliyetidir. Genelde güneş pillerinin maliyeti toplam sistem maliyetinin yarısını oluşturmaktadır. Ancak maliyet hesabında çevre etkileri dikkate alınmamaktadır. Yıllık güneş pili piyasasının 500 milyon dolar civarında ve güneş pili üretim kapasitesinin yıllık 50100 MW olduğu sanılmaktadır. 3.4.1 Fotovoltaik pillerin uygulama alanları Fotovoltaik pillerin uygulama alanları; kırsal bölgelerin elektrifikasyonu, zirai uygulamalar (süt, gıda korunması), haberleşme cihazları, uyarı ve sinyalizasyon sistemleri, meteoroloji aletleri, park ve otoyolların aydınlatması, su pompalanması ve küçük tip el aletleridir. Fotovoltaik pillerle sulama sisteminin başlıca bileşenleri, pompa, pompayı çalıştıran elektrik motoru ile motora elektrik enerjisi temin eden fotovoltaik elemanların oluşturduğu fotovoltaik jeneratördür. Bu sistem, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Tüm güneş enerjisi sistemlerinde olduğu gibi sistemin en önemli parçası enerji deposudur. Güneş enerjisinin kesikli olması ve genelde tüketim talebine paralel gelişmemesi nedeniyle sistemde bir enerji deposuna ihtiyaç duyulmaktadır. Fotovoltaik sulama sisteminde en basit depolama alternatifi, gerekli potansiyel enerjiyi sağlayacak yüksekliğe yapılmış su deposudur. Ancak sistemde akümülatör kullanılarak elektrik enerjisi depolanması halinde gerekli jeneratör gücü azalacağından, daha ekonomik bir sulama elde edilebileceği belirtilmektedir. Pompa, su deposu ve borularının hesaplanarak yerleştirilmesi bilinen sulama tekniklerine uygun olarak yapılır. Fotovoltaik sulama sistemlerinde önemli olan fotovoltaik panelin yerleştirilmesidir. Panelin gün boyunca gölge altında kalmamasına dikkat edilerek ön yüzü güneye dik olarak yerleştirilir. Aynı zamanda panelin yatayla yaptığı açı maksimum güneş ışınımını alması yönünden önemlidir. Panelin eğimi, eğer sistem tüm yıl kullanılıyorsa enleme eşit, yaz aylarında kullanılıyorsa enlem- 15°, kış aylarında kullanılıyorsa enlem + 15° alınır. Fotovoltaik pillerin diğer bir uygulama alanı ise güneş elektrik santralleridir. Fotovoltaik santraller 1982 yılında Kalifornia’da 1MW’lik Edison Lugo santralini Los Angeles ile San Francisco arasında kurulan 6.5 MW’lık Carisa Plains santrali izledi. 578 Amerika dışında başka ülkelerde de bu tip santraller bulunmasına karşılık toplam kurulu güçleri güneş termik santrallerinin % 10’unu aşmamaktadır. Fotovoltaik üreteçler merkezi santrallerden çok oto prodüktörler için uygun olup birim kurulu güç maliyetinin termik tiplerden 3.7 – 5.2 kat daha yüksektir. Avrupa’nın güneş pili üretimi 1992 yılında yaklaşık 17 MW değerine ulaşmıştır. Bu rakam toplam dünya üretiminin üçte biri olmuştur. Bu üretimin % 75’i gelişmekte olan ülkelere ihraç edilmiştir. En fazla üretim kapasitesi Almanya, İtalya, İsviçre ve İspanya’dadır. PV teknolojisi temiz teknoloji olduğundan, karbondioksit vergisi ve emisyon yönünden gelecek yıllarda fosil yakıtlara göre daha cazip duruma gelecektir. İngiltere’de Ford firması, fabrika çatısına yerleştirdiği toplam 100 kW gücündeki güneş pilleri ile yılda 110 000 kW saat enerji üretmektedir. Fabrika çatısının % 8’ini kaplayan pillerin 30 yıl boyunca kullanılması durumunda fabrikanın karbondioksit salınımı 3000 ton azalacağı hesaplanmıştır. Avrupa’daki bu tür fabrika yapıları içinde en büyük uygulamalardan biri olan bu sistemin maliyeti 1.5 milyon İngiliz lirasıdır. Proje, BP-Solar firmasınca yürütülmüş ve güneş panelleri, bu firmanın Madrid’deki tesislerinde üretilmiştir. Dünyanın en geniş alanlı güneş pili çatısı, yılda 1.000.0000 kWh ‘lik elektrik enerjisi üretecek şekilde Almanya’da kurulmuştur. Toplam 7916 m2 ‘lik alanı kaplayan 7812 güneş modülünden oluşan sistemin maliyeti 14 milyon Alman markıdır. Ayrıca evlerin çatılarına konulan güneş pilleri, ürettikleri elektriğin üçte birini kendileri için kullanmakta geri kalanını ise enterkonnekte sisteme vererek ulusal elektrik enerjisi üretimine katkıda bulunmaktadırlar[Kreith, 1997, Kleemann, 1993]. 4. Rüzgar Enerjisi 4.1 Giriş Rüzgar enerjisinin kaynağı güneştir. Güneş enerjisinin karaları, denizleri ve atmosferi her yerde özdeş ısıtmamasından dolayı oluşan sıcaklık ve buna bağlı basınç farkları rüzgarı yaratmaktadır. Rüzgar, yüksek basınç alanından alçak basınç alanına yer değiştiren havanın dünya yüzeyine göre bağıl hareketidir. Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin çok küçük bir kısmı rüzgar enerjisine çevrilebilmektedir. Bu enerji yerel coğrafi farklılık ve homojen olmayan ısınmaya bağlı olarak zamansal ve yöresel değişiklikler gösterir. Rüzgar enerjisinde; rüzgarın hızı, yönü ve esme saat sayısı gibi özellikleri değerlendirilir. Rüzgarın hızı yükseklikle, gücü ise hızının küpü ile orantılı biçimde artar. Rüzgarın yönü, günlük hava şartlarına ve iklim özelliklerine bağlı 579 olarak değişmektedir. Meteorolojik ve topografik açıdan rüzgarın olabileceği yerler aşağıda sıralanmıştır: • • • • • • Basınç gradyanının yüksek olduğu yerler Yağışların sürekli esen rüzgara paralel olduğu vadiler Yüksek, engebesiz tepe ve platolar Yüksek basınç gradyanlı düzlükler ve sürekli rüzgar alan az eğimli vadiler Güçlü jeostrofik rüzgar alanlarının etkisinde kalan tepe ve zirveler Jeostrofik rüzgar ve termal gradyan alanına sahip kıyı şeritleri Topografya rüzgarın yönü, hızı ve dağılımında önemli bir rol oynar. Dağ silsileleri, tepe ve kayalıklar, rüzgar profillerini büyük ölçüde etkiler. Dağ silsileleri eğer denize paralel, hakim rüzgar yönüne dik, orta eğimli (10-22o) ve özellikle çıplak ise enerji üretimine uygun yerlerdir. Zirvede rüzgar hızı, eğim ve dağ grubunun büyüklüğüne bağlı olarak artar. Bu nedenle, tepenin üst ön kısmı tesis için uygundur. Fakat tepenin üst arka kısmı türbülans nedeniyle göz önüne alınmaz [EİEİGM, 1992] Rüzgar enerjisinden elektrik üretimi, seçilecek bölgenin meteorolojik özelliklerine ve en önemlisi de kullanılacak türbinin tasarımına bağlıdır. Seçilen bölgeden ekonomik olarak enerji üretebilmek için rüzgar hızı ve yön ölçümleri, topoğrafik yapı ve arazi pürüzlülüğü çok iyi belirlenmelidir. Rüzgar türbinlerinin kurulması tasarlanan bölgede türbin tarafından üretilebilecek elektrik enerjisinin hesaplanabilmesi için, meteorolojik ve bölge verilerinin çok iyi analiz edilmesi gerekir. En yaygın olarak kullanılan hesaplama yöntemi Danimarka’da RISO Laboratuarlarında geliştirilmiş bulunan “Rüzgar Atlası Analiz ve Uygulama Programı (WASP)” ‘dır. Rüzgar çiftliği kurulmadan önce seçilen araziye en az 10 m veya mümkünse 30 m yüksekliğinde bir çubuk üzerine anemometre yerleştirerek 6 ay süre ile ölçüm yapılmalıdır. Eğer seçilen alanda yükseklik farkları varsa birden fazla anemometre dikilmesi daha yararlı sonuçlar verecektir. Arazi seçiminden sonra kapasiteyi belirleyen en önemli unsur üretilen elektriğin nereye verileceğidir. Ulusal dağıtım sistemine verilecekse araziye en yakın iletim hattı belirlenerek gerekli düzenlemeler yapılmalıdır. Bölge seçimini kısıtlayan bir faktör de rüzgar çiftliği için (bir çok rüzgar türbininin bir arada bulunduğu yerler) geniş arazi gerektirmesidir. Bu santral alanlarında türbinlerin birbirlerine çok yakın yerleştirilmesi birbirlerinin rüzgarlarını keseceği için uygun değildir. Santral alanının efektif olarak kullanıldığı alan %1’i geçmez ve geri kalan arazi tarım ve hayvancılık amacıyla kullanılabilir. Rüzgar santralleri için ileri sürülen gürültü kirliliği de çok yüksek düzeyde değildir. Rüzgar santralı içinde türbinlerin bulunduğu ortamın gürültü seviyesi 80 dB ’dir. Bu değer trafiğin yoğun olduğu 580 bölgelerdeki gürültü düzeyine eşittir. Bundan dolayı rüzgar santralleri ile yerleşim birimleri arasındaki mesafe 500m’den az olmayacak şekilde dizayn edilir. 4.2 Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması Tarih boyunca çeşitli evrimler geçiren rüzgar makinalarında kullanılan türbinler farklı tiplerdedir [Wakil,1984, Twidell, 1990]: a) Yatay eksenliler: Dönme ekseni rüzgarın akım çizgilerine paralel olan türbinlerdir (Şekil 4.1a). b) Dikey eksenliler: Dönme ekseni rüzgarın akım çizgilerine dik olan türbinlerdir. Bunların başlıcaları Darrieus ve Savonius tipinde olanlardır (Şekil 4.1b). Bunlardan birincisi ilk hız alamaması ikincisi ise veriminin düşük olması en olumsuz yanlarıdır. Nispeten daha pratik olan yatay eksenli türbinlerden çok kanatlılar düşük devirlerde tek ve birkaç kanatlılar ise yüksek devirlerde çalıştırılmaktadır. c) Yoğunlaştıran yapıdakiler (Şekil 4.1c). 581 Şekil 4.1 Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması: (a)Yatay eksenli (b) dikey eksenli (c) Yoğunlaştıran tip Bir rüzgar türbin-jeneratör sistemi kurmadan önce seçilen yörenin rüzgar enerjisi potansiyelinin ve buna ait teorik hesapların yapılması gerekmektedir. Sağlıklı bir hesaplama için; rüzgar hızı ölçümleri, türbin kanat çapı, kanat sayısı, türbinin yerden yüksekliği, kanat ucu hız oranı, ve katılık oranı gibi parametrelerin bilinmesi gerekmektedir. Rotorsuz durumda rüzgarın akış yönüne dik herhangi bir A alanı içinden birim zamanda taşınan güç şu şekilde verilir [Freris, 1990]: P = (A ρ Vo3) / 2 582 Burada ρ havanın yoğunluğunu, A kanat alanını ve Vo ise rüzgar hızını göstermektedir. Bu gücün tamamı rüzgar türbini tarafından faydalı güce dönüştürülemez. Faydalı rüzgar gücü PT şu şekilde hesaplanmaktadır: PT = (CP A ρ Vo3) / 2 Burada CP , güç faktörü veya verim olup maksimum değeri %59.3 dür. Bu değere Lanchester Betz limiti denir. Bu limit değer, rüzgar enerjisi elektrik santrallerinin en fazla %59.3 verime sahip olacaklarını göstermektedir. Şekil 4.2’de farklı rüzgar türbinleri için kanat uç hız oranı olan λ ‘ nın (λ = wR/Vo) Cp ‘ye göre değişimi verilmiştir. Şekil 4.2 Güç katsayısı CP ‘nin kanat uç hız oranı λ ‘ya göre değişimi 4.3 Rüzgar Enerjisinden Faydalanma Yolları Rüzgar enerjisinden genel olarak mekanik enerji üretimi ve elektrik enerjisi üretimi şeklinde yararlanılmaktadır. Rüzgar enerjisinin şaft gücünden faydalanılarak elde edilen mekanik enerji, su pompalama, tahıl öğütme, kesme, sıkıştırma ve yağ çıkarma alanlarında kullanılmaktadır. Rüzgar enerjili pompalama sistemlerinin elektrik veya dizelli pompalara göre bir çok avantajları vardır. Rüzgar enerjisi doğada bol miktarda bulunan bedava bir enerji kaynağıdır. Karmaşık bir yapıya sahip olmadıkları için bakım ve onarım masrafları da yok denecek kadar azdır. Rüzgar enerjili su 583 pompalama sistemlerinde hem düşük hem de yüksek hızlı türbinler kullanılabilir. Çok kanatlı rüzgar türbinleri düşük hızda çalışırlar. Şekil 4.3’de düşük hızlı bir su pompalama sistemi görülmektedir. Bu sistemde genellikle tek hareketli pompa kullanılır. Rüzgar türbini milinden hareket alan bir krank sistemiyle pistonun aşağı yukarı hareketiyle su pompalama işlemi gerçekleşir. . Şekil 4.3 Düşük hızlı rüzgar türbini ve su pompalama sistemi Şekil 4.4’de ise yüksek hızlı bir sistem görülmektedir. Başlangıç momentinin düşük olması nedeniyle bu sistemlerde direkt olarak pistonlu pompa kullanılmaz. Yüksek dönme hızına sahip oldukları için ya santrifuj ya da helisel pompa kullanılır. 584 Şekil 4.4 Yüksek hızlı rüzgar türbinine sahip su pompalama sistemi Gerekli su, arzu edilen zamanda ve yeterli miktarda temin edilemediği takdirde, su depolama tesislerinin yapılması gerekmektedir. Fazla suyun araziden uzaklaştırılması için kurulan rüzgar türbinleri de aynı sisteme dayanmaktadır. Rüzgar enerjisinin değirmenlerde kullanılması da pompalama ve depolama yoluyla olmaktadır. Rüzgar enerjisinden faydalanarak üretilen elektrik özellikle; enterkonnekte sistemin ulaşamadığı uzak yerleşim merkezlerinde, kırsal alanlarda, ormanlık ve dağlık bölgelerde, adalarda, deniz fenerlerinde, çiftliklerde, yangın kulelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde büyük güçlü rüzgar santralleri, elektrik şebekesine bağlı ve birden fazla türbin içeren rüzgar çiftlikleri biçimindedir. Rüzgar santrallinin ana yapı elemanı rüzgar türbinidir. Bir rüzgar türbini, çevredeki engellerin rüzgarı kesemeyeceği yükseklikte bir kule ve bunun üzerine yerleştirilmiş bir gövde ve rotordan oluşmaktadır. Kulenin yüksek olması, ayrıca yeryüzüne yakın rüzgar profilinin yüksek hızdaki kısmını kullanmaya da yarar. Rüzgarın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Rotor milinin devir hareketi hızlandırılarak, gövdedeki jeneratöre aktarılır. Elektrik üretim amaçlı modern rüzgar türbinlerinin çoğunluğu yatay eksenli olup rotor kanat sayıları bir ile üç arasında değişmektedir. Rotor çapları 1–75 m arasındadır. Rüzgar doğrultusuna yönlenmeyi bir rüzgar gülünün 585 kumanda ettiği bir servo mekanizma sağlar. Aerojeneratörlerin gücü 100 W ile birkaç MW arasında değişir. Danimarka başta olmak üzere Japonya, İspanya ve Amerika markalı türbinler 300, 450, 500, 600, 650, 750 kW güçlerinde sıkça kullanılmaktadır. Yüksek rüzgar gücüne sahip vadilerde 1 MW ile 1.5 MW gücünde türbinler kullanılmaktadır. Normal arazi şartlarında ise hem üretim hem de fiyat açısından 600 kW’lik türbinler tercih edilmektedir. Şekil 4.5’de rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi görülmektedir. Şekil 4.5 Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi [Twidell, 1990] 4.4 Dünyada ve Türkiye’de Rüzgar Enerjisi Çalışmaları Rüzgar enerjisinden elektrik elde edilmesinin yaygınlaşmaya başlamasının başlıca nedeni; dönüşüm sistemlerinin ve elektrik enerjisi üretim maliyetlerinin yeni fosilyakıtlı güç santralleriyle rekabet edebilecek düzeye inmiş olmasıdır. Rüzgar enerjisi sistemlerinin geliştirilmesi üzerindeki araştırmalar; türbin sistemlerinin aerodinamik ve mekanik performanslarının artırılması, dayanıklılıklarının ve yorulma ömürlerinin geliştirilmesi, rüzgar alanlarının modellenmesi ve simule edilmesi ve ayrıca açık denizde kurulması düşünülen türbinler üzerinde yoğunlaşmıştır. Danimarka’nın ilk deniz rüzgar çiftliği uygulaması kıyıdan 6 km açıkta kurulmuştur. Her biri 500 kW’dan oluşan bu çiftliğin toplam gücü 5 MW olup yaklaşık 4000 evin elektrik 586 gereksinimini karşılayacak düzeydedir. Bu çiftlikten elde edilen elektrikle 6000 ton kömürün yakılması ve 12.500 ton CO2 ‘in salımı önlenmektedir. Kurulan rüzgar türbini bir yıldan kısa sürede kendi imalatı için harcanan paranın karşılığı olan enerjiyi üretmektedir. Türbinlerin ömrü ortalama 20 yıl olarak tahmin edilmektedir. Kalan 19 yıllık süre net üretim zamanıdır. Ayrıca rüzgar çiftliği kurulduktan sonra yapılan işletme ve bakım harcamaları son derece düşüktür. Tablo 4.1’de ekonomiklik açıdan rüzgar enerjisi ve diğer enerji üretim sistemleri karşılaştırılmıştır. Gelişen teknolojiye ve gerçekçi fizibilite çalışmalarına bağlı olarak rüzgardan elde edilen enerjinin maliyeti sürekli düşmektedir. 1980 yılında rüzgardan elde edilen 1 kWh enerjinin maliyeti 30 cent’ken 1991’de bu değer 6 cent’e düşmüştür. Tablo 4.1 Enerji üretim sistemlerinin enerji maliyetleri Güç Kaynağı Solar termal hibrit Nükleer Doğal Gaz Hidrolik Rüzgar Kömür Jeotermal Biyomas 1 kWh Enerjinin Maliyeti (cent) Min Max Ortalama 6.0 7.8 6.9 5.3 9.3 7.3 4.4 5.0 4.7 5.3 18.9 12.1 4.7 7.2 6.0 4.5 7.0 5.8 4.3 6.8 5.6 4.2 7.9 6.1 Dünya 1998 yılı sonu itibariyle 9839 MW kurulu rüzgar gücüne ulaşmıştır. Dünyanın en büyük kurulu gücü 6469 MW ile Avrupa’da yer almaktadır. Tablo 4.2‘de ülkelerin kurulu rüzgar gücü ve tesis edilen kapasite değerleri verilmiştir. Almanya 794 MW artış ile 1998 yılında önde gelmektedir. Bu artış ile ülkenin toplam rüzgar gücü 2875 MW’a çıkmıştır. Rüzgar santrallerin elektrik üretimi ülkenin en büyük iki kömür santralının üretimine eşittir. 1981’de kilovat başına 2600 dolar olan rüzgar gücü maliyetleri daha büyük türbinler, daha etkin imalat ve montaj sayesinde 1998 yılında kilovat başına 800 dolara düşmüştür. Türkiye’nin rüzgar enerjisi potansiyeli yeterli ölçümler yapılmadığından dolayı kesin olarak bilinmemektedir. Türkiye’nin toplam rüzgar enerji teknik potansiyeli sadece kara kısmı için 40.000 ile 80.000 MW düzeyinde olduğu tahmin edilmektedir. 587 Yerleşim alanları dışında 10 m yükseklikte rüzgar hızı yıllık ortalaması Ege Bölgesi ve diğer kıyı alanlarımızda 4.5-5.6 m/sn, iç kesimlerde ise 3.4-4.6 m/sn arasındadır. Antakya, Bandırma, Bergama, Bodrum, Bozcaada, Çanakkale, Çeşme, Çorlu, Gökçeada, İnebolu, Mardin ve Sinop rüzgar enerjisince zengin yörelerimizdir. İzmir Çeşmede 55 kW gücünde rüzgar jeneratörü bir turistik tesisde kullanılmaktadır. 1998 yılında Alaçatı’ nın Germiyen Köyünde üç rüzgar türbininden oluşan 1.7 MW kapasiteli özel sektöre ait bir rüzgar santralı kurulmuştur. Tesis edilen 7.2 MW kapasiteli Alaçatı Rüzgar Güç santrali 1998 yılında üretime başlamıştır. Halen Türkiye’de çeşitli özel sektör yatırımcılarınca geliştirilen ve yakın gelecekte gerçekleşebilecek rüzgar güç santral kapasitesi 700 MW’a ulaşmıştır. 588 Tablo 4.2 Dünyanın Kurulu Rüzgar Gücü 1998 Sonu Kurulu 1998 Yılında Gücü (MW) Tesis Edilen Kapasite (MW) ABD 1820 147 Kanada 82 57 Kosta Rika 26 6 Arjantin 12 3 Meksika 3 1 Brezilya 17 14 Amerika 1960 228 Toplamı Danimarka 1448 300 5 17 Finlandiya 9 19 Fransa 794 2875 Almanya 10 39 Yunanistan 51 73 İrlanda 51 154 İtalya 42 361 Hollonda 22 60 Portekiz 195 707 İspanya 43 165 İsveç 14 333 İngiltere 10 30 Avusturya 9 9 Türkiye 5 9 Norveç 1 8 Belçika 0 7 Çek Cumh. 0 3 İsviçre 7 9 Lüksemburg Avrupa 6276 1523 214 48 Toplamı 11 0 Çin 968 28 İran 6 0 Hindistan 5 0 İsrail 40 22 Ukrayna 5 0 Japonya 589 Büyüme Hızı (%) 8.8 228.0 30.0 33.3 50.0 466.7 26.1 45.0 90.0 38.2 34.5 49.5 49.5 13.2 57.9 38.1 35.3 4.4 47.7 132.1 12.0 0.0 0.0 350.0 28.9 0.0 0.0 3.0 0.0 122.2 0.0 Rusya Asya Toplamı Avustralya Mısır Y.Zelanda Kıtalar Toplamı DÜNYA TOPLAMI 1249 17 5 5 27 98 6 0 1 7 9512 1856 54.5 0.0 25.0 5. Jeotermal Enerji 5.1 Giriş Jeotermal enerji, yer kabuğunun işletilebilir derinliklerinde birikmiş olan ısının meydana getirdiği bir enerji türüdür. Yeraltına sızan sular burada gözenekli ve geçirimli özellikleri bulunan hazne kayalarda toplanır. Hazne kayalar üstünde geçirimsiz örtü kayalar vardır. Isı,, yerkabuğundaki kırık veya çatlaklarda dolaşan sular vasıtasıyla yeryüzüne aktarılır. Eğer yerkabuğunda doğal su dolaşımını sağlayacak yeterli kırık yoksa ve ısı birikimi tespit edilirse, oluşturulacak yapay kırıklardan dolaştırılacak akışkanlardan enerji elde edilmesi mümkündür. Jeotermal enerji alanları, etkin depremlerin olduğu tektonik bakımdan aktif olan genç volkanların bulunduğu kuşaklardır. Yeryüzüne ulaşan buhar ve sıcak suyun içerdiği enerjiden ya doğrudan ya da başka enerji türlerine dönüştürülerek yaralanılmaktadır. Jeotermal enerji kullanımındaki en büyük problem bu enerji kaynağının oldukça yayılmış bir karaktere sahip olmasıdır. Dünyadan uzaya yılda yaklaşık 4x1017 KJ jeotermal enerji yayılmaktadır. Eğer biz bu enerjiyi kullanabilseydik dünyanın tüm enerji ihtiyacını 20 kez karşılayabilirdik. Yalnız bu miktar tüm dünya yüzeyine yayıldığından metrekare başına sadece 0.063 W enerji düşer ki bu güneşten gelen enerjiden çok daha azdır. Eğer jeotermal enerji tüm yer kabuğuna eşit olarak dağılmış olsaydı, belki de faydalı enerji olarak kullanılma olasılığı olmayacaktı. 5.2 Jeotermal Enerji Kaynakları Genellikle tektonik levha sınırları diye bilinen ve depremlerin sık ve şiddetli olmasıyla veya volkanik faaliyetlerle de tanımlanan bölgelerde, yer kabuğunda kırıklar 590 oluştuğundan bu bölgeler genellikle jeotermal enerji açısından zengin bölgelerdir. Jeotermal enerji kaynakları şu şekilde sınıflandırılabilir: (a) Normal ısı gradyanlı sahalar: Jeotermal olarak yüksek ısı akısı gösteren alanların dışındaki alanlardır. Bu alanlarda yaklaşık her 100 metrede sıcaklık 2.5 °C artar. Eğer 150°C’lik bir sıcaklık elde etmek istiyorsak yaklaşık 5000m derinliğinde kuyu kazılması gerekir. Bu uygulama şu anda ekonomik değildir. (b) Radyojenik sahalar: Bu tür bölgeler kayaların içerisindeki radyoaktf elementlerin bozulmasıyla ortaya çıkan ısıyla, sıcaklıkları normal ısı gradyanının üzerine çıkmış bölgelerdir. Genellikle granit gibi kaya tabakalarında toplanan bu enerji, granit tabakalarının su geçirgenliği az olduğundan doğal olarak suya aktarılma olasılığı pek yüksek değildir. (c) Yüksek ısı akışlı bölgeler: Yeraltından yeryüzüne ısı transferi iletim mekanizmasıyla olur. Dünyanın bazı bölgelerinde yerkabuğunun ısıl geçirgenlik katsayısı çok düşük olabilir. Eğer bu yüksek ısı akışı ile bir arada bulunuyorsa sıcaklıklar normal gradyanın üzerine çıkabilir. Örneğin Macaristan’da sıcaklık değişimi 40-75 °C/km civarındadır. Bu değer normal gradyanın yaklaşık üç misli civarındadır. Bu tür yüksek ısı akışlarının oluşmasının sebebi bu bölgelerde yer kabuğunun göreceli olarak ince olması veya kabuğun içine sıkışmış yüzeye yakın bir magma tabakasının olması olabilir. (d) Basınç altındaki jeotermal sahalar: Bazı sedimenter kaya oluşumlarının arasında sıkışmış fosil su kaynakları bulunabilir. Bu tür su kaynakları basınç olarak normal basınç gradyanının üzerinde değerlere sahip olabilir. Eğer basınç gradyanı metre başına 10.5 kPa değerinin üzerindeyse bu tür alanlara basınç altında jeotermal alanlar adı verilir. Bu tür alanların çekici tarafı genelde basınç, sıcaklık ve metan kaynakları olarak üç enerji kaynağının kullanılmasını sağlayacak bir ortam oluşturmasıdır. (e) Nokta ısı kaynakları: Bu tür ısı kaynakları en kolay kullanılabilen jeotermal enerji kaynaklarıdır. Termal kaynak, ya yerin içinde oldukça yüksekte bulunan bir magma bölgesi veya çatlaklar boyunca yükselmiş bir magma (ergimiş bazalt) tabakasıdır. Genelde yerin 7-15 km altında bulunur. Bu magmadan direk olarak enerji sağlanması için çalışmalar varsa da eğer çatlaklardan kaynaklanan su sızıntıları magmaya yakın bir bölgede gözenekli kayaçlar içerisinde bir su reservuarı oluşturabiliyorsa, su buhar enerji elde edilebilmesi için daha elverişli bir kaynak oluşturur. Şekil 5.1 bu tür bir kaynağın yapısını göstermektedir. 591 Şekil 5.1 Jeotermal – hidrotermal kaynak ve oluşumu için gerekli yapı Kaynak kapasitelerinin incelenmesi için bir çok yöntem mevcuttur. Bunlar jeolojik etütler, hidroloji, jeokimya ve jeofizik etütleridir. Başlıca Jeofizik etütler; ısı akış ölçümleri, elektrik direnç, elektromanyetik, gravity ve pasif sismik ölçümler olarak sıralanabilir. Fakat her zaman ancak kuyu açımlarından sonra kaynağın gerçek kapasitesini anlayabiliriz. Genel olarak kuyudan çıkan buhar ve su yüzdesine göre jeotermal kaynaklar kuru buhar, buhar çoğunluklu karışım ve su çoğunluklu karışım olmak üzere üç temel kısma ayrılabilir. Hidrotermal kuyulardan çıkan sıvı aslında sadece sudan ibaret değildir. Kimyasal olarak çok kompleks bir yapı içerir. İçinde çok miktarda ergimiş mineraller ve gazlar vardır. Bu mineral ve gaz miktarlarına göre bu sıvıları alkali klorik, asit sulfat, asit sülfat-klorat ve bikarbonat gibi gruplara ayırabiliriz. Jeotermal sıvıların kapsadıkları başlıca gazlar ise karbondioksit, hidrojensülfit, metan, hidrojen, azot, oksijen, amonyak, argon, neon, kripton, zenon olarak sıralanabilir. Bu kimyasal maddeler jeotermal enerjinin kullanımındaki en önemli zorluğu oluştururlar. Bilhassa suda bulunan silikat ve kalsitler boruların tıkanmasına sebep olur. Genellikle jeotermal kaynaklar 10 000 – 25000 ppm civarında katı ergimiş madde içerirler. Bu miktarın bazı özel bölgelerde 300000 ppm bulduğu da gözlenmiştir. 592 5.3 Jeotermal Enerji Kullanım Alanları Jeotermal akışkanın sıcaklığına bağlı olarak kullanım alanları Tablo 5.1‘de verilmektedir. Yeryüzüne çıkan jeotermal akışkandan İtalya, Amerika, Japonya, Filipinler ve Meksika borikasit, amonyum bikarbonat, ağır su (döteryum oksit), amonyum sülfat, potasyum klorür gibi kimyasal maddeler elde etmektedirler. Jeotermal akışkan sıcaklığına bağlı olarak jeotermal enerjinin kullanım alanları sıralanırsa;[(Rinehart,1980, Wakil, 1984]. 180°C- Elektrik enerjisi üretimi, Amonyak absorbsiyonu ile soğutma yüksek konsantrasyonda buharlaştırma, kağıt sanayi 170°C – Elektrik üretimi, ağır su ve hidrojen sülfit prosesleri, Diatomik malzeme kurutma 160°C – Konvensiyel güç üretimi, kereste ve balık kurutma. 150°C – Konvensiyel güç üretimi, bayer yöntemi ile alüminyum eldesi . 140°C - Konvensiyel güç üretimi, tarım ürünlerinin hızlı kurutulması. 130°C - Konvensiyel güç üretimi, şeker rafinasyonunda buharlaştırma 120°C - Distilasyon ile temiz su eldesi, Tuz elde edilmesi, Şeker sanayii, Damıtma prosesleri 110°C - Çok yönlü buharlaştırma, yün yıkama ve kurutma 100°C - Meyve, sebze ve küspe kurutma 90°C - Hacim ısıtılması 80°C - Lityum bromür yöntemi ile soğutma 70°C - Endüstri proses suyu 60°C - Sera, ahır, kümes ısıtılması 50°C - Mantar yetiştirme 40°C - Toprak ısıtma 30°C - Yüzme havuzları, turizm, sağlık amaçlı banyolar Jeotermal akışkanın kimyasal özelliklerinden dolayı korozif maddelerin, kalıntı bırakan veya yoğunlaşmayan bileşenlerin doğrudan sisteme gönderilmesi çeşitli problemlere neden olmaktadır. Bu nedenle kullanılan akışkanın kimyasal özelliklerine uygun inhibitörlerin seçimi ve uygun ekipman, sistem dizaynı ile jeotermal akışkanın kabuklaşma ve korrozyon sorunu çözülerek verimli olarak kullanmak mümkündür. 5.4 Jeotermal Enerjiden Elektrik Üretimi Jeotermal enerjiden elektrik enerjisi üretiminde çeşitli santral tipleri kullanılmaktadır. Şu anda kullanılmakta olan jeotermal santral tiplerini şu şekilde sınıflandırmamız mümkündür: 593 (a) Kuru Buharlı Jeotermal Santraller: Tüm jeotermal santral türleri arasında en basit olanı kuru buhar santralleridir. Bu tür santraller temel olarak doymuş veya kızgın jeotermal buhar bulunan bölgelerde kullanılabilir. Dünyadaki doymuş veya kızgın jeotermal sıvı bulunan jeotermal alanlar oldukça sınırlıdır. Başlıcaları; Kalifornia Geyser (USA), Lorderello ve Monte Amita (İtalya) ve Matsukawa (Japonya). (b) Buhar Ayırmalı (Tek faz dönüşümlü) Santraller: Yeryüzüne pompalanmadan direkt olarak çıkartılan jeotermal sıvıların pek çoğu iki fazlı (buhar ve sıvı) olarak yer yüzüne ulaşır. Bu iki fazdaki buhar miktarı kaynak özelliklerine ve kuyu başı basıncına göre değişiklikler gösterebilir. Genellikle jeotermal akışkan kaynakta sıvı fazdadır. Fakat kuyu çıkışında bir basınç düşümünden dolayı buharlaşır. Bundan dolayı bu tür kaynağın kullanıldığı santrallere tek faz dönüşümlü santraller adı verilir. Şekil 5.2’de tek faz dönüşümlü bir jeotermal santralın basitleştirilmiş akış diyagramı görülmektedir. Kuyu çıkışındaki iki fazlı jeotermal sıvı ayırıcıda fazlarına ayrıldıktan sonra buhar fazı buhar türbinini döndürme amacıyla kullanılır. Sıvı fazındaki jeotermal akışkan re-enjeksiyonla kuyulara tekrar geri basılır. Bu tür bir santralın kullanım verimi kuru buharlı bir santralın kullanım verimiyle kıyaslandığında çok düşüktür. Bu tür santrallere örnek olarak Türkiye’deki Kızıldere jeotermal santralı verilebilir. Yalnız bu santralde jeotermal sıvı kaynağa geri basılmamaktadır. Jeotermal sıvının kaynağa geri basılması jeotermal kaynağın ömrünü uzatması bakımından önemlidir. Ayrıca 594 Şekil 5.2 Buhar ayırmalı (tek faz değişimli) bir santralin basitleştirilmiş şematik görünüşü Cerro Prietto (Meksika); Otake , Onuma, Onikobe, Kakkonda (Japonya); Ahuchapan (El Salvador), Pauzhetka (Rusya) ‘da bulunan santraller bu türün örnekleri arasında sıralanabilir (c) Buhar Ayırma ve Su Buharlaştırmalı (Çift Faz Dönüşümlü) Santraller: Bu santralın buhar ayırmalı santralden temel farkı separatörden çıkan jeotermal sıvının basınç düşürücü (faz dönüştürücü) ikinci bir seperatörden geçirilerek ilave düşük basınçlı buhar elde edilmesi ve bu ilave buharın ikinci kademe bir türbinde işe dönüştürülmesidir. Bu yüzden bu çevrim çift faz dönüşümlü (birinci faz dönüşümü kuyu içerisinde olmaktadır) santraller olarak da anılırlar. Bu tür santrallere örnek olarak Hatchobaru (Japonya), Krafla (İzlanda) santralleri verilebilir. Toplam kullanım verimi tek faz dönüşümlü sistemlere göre biraz daha yüksektir. (d) Buhar Ayırma ve Çok Kademeli Su Buharlaştırmalı (Çok faz dönüşümlü) Santraller: Bu tür santrallerde üç veya daha fazla basınç düşümü ve faz ayrımı oluşturulur. Faz dönüşüm sayısı arttıkça kullanım veriminde artış gözlenmekle birlikte hem sistem daha kompleks hale geldiğinden hem de maliyetler arttığından toplam faz dönüştürme sayısının ekonomik analizle belirlenmesi gerekir. Bu tür santraller şu anda ekonomik olarak pek cazip görünmemektedir. Türünün tek örneği olan Wrakei (Yeni Zellanda) santralının bu tür için seçilmiş olmasının temel nedeni bir kimya tesisi için jeotermal sıvıdan kimyasal madde elde edilmesidir. 595 (e) Kuyudan Pompayla Jeotermal sıvı çekilen sıvı buharlaştırmalı (tek faz dönüşümlü) santraller: Eğer kuyunun içine pompa yerleştirilmemiş ve jeotermal akışkan direkt basınçlı sıvı olarak kuyudan çekiliyorsa, yer altında ilk basınç düşümü gerçekleşemeyecektir. Bu yüzden pompa çıkışında faz dönüşüm işlemi basınç düşürücü bir seperatörle gerçekleştirilir. Oluşan buhar aynı seperatörde ayrıldıktan sonra türbine gönderilir. Bu tür sistemlere örnek olarak East Mesa Republic (USA) jeotermal santralı verilebilir (f) İkinci Bir Termodinamik Çevrim Sıvısı Kullanan (Bınarı Tipi) Santraller: Bu tür santrallerde jeotermal akışkanın enerjisi ikincil bir sıvıya aktarılır. İkincil sıvı olarak freonlar veya hidrokarbonlar kullanılabilir. Bu çevrimin kritik parametresi jeotermal sıvıdan ikincil sıvıya ısı aktarımı yapan ısı değiştirgecidir. Burada ısı eşanjörü çalışma şartlarının çok iyi denetlenmesi, ikincil bir yedek ısı eşanjörü imali gibi tedbirler uygulanmalıdır. Diğer bir uygulama da direk temaslı ısı değiştirgeçlerinin kullanılmasıdır. Direk temaslı eşanjörlerde jeotermal sıvı ve jeotermal sıvıyla direk olarak karışmayan ikincil çevrim sıvısı ters akışlı olarak aynı reaktöre gönderilir. Buharlaşan ikincil sıvı rektörün üst bölgesinden toplanarak ikincil (binari) sıvıyla çalışan türbine gönderilir. İkincil sıvı termodinamik çevrimi temel olarak kapalı bir çevrimdir. Bu yüzden normal gövde boru tipi kondenser düşük basınç değerleriyle rahatlıkla kullanılabilir. Binari santrallerinin kullanılabilirlilik verimi faz dönüşümü santrallerine göre oldukça yüksektir. Genellikle ikincil sıvılar sistemde yüksek basınçlar altında bulunduğundan türbinler, su buharı türbinlerine göre daha küçüktür. İlave ısı eşanjörü maliyeti sistemi pahalı kılan başlıca unsur olarak görülebilir. Binari (ikincil sıvı) santrallerinin faz dönüşüm santrallerine göre avantaj ve dezavantajlarını şöyle sıralayabiliriz : Avantajları : Düşük sıcaklıklı jeotermal kaynakların kullanılmasına daha elverişli olmaları Türbin boyutunun küçüklüğü ve daha ucuz olması Yüksek basınçta çalışma Hava sızması gibi problemlerin yaşanmaması Çalışma sıvısının korozif olmaması Isantropik türbin verimlerinin daha yüksek olması Türbin genleşmesinin tamamen kuru bölgede gerçekleşmesi, böylece toplam türbin ömrünün uzatılması Daha düşük kondenser basıncı, daha yüksek sistem verimleri Dezavantajları : İkincil sıvı maliyetlerinin yüksekliği 596 Kaçaklara müsaade edilemeyişi Isı değiştirgeçlerinin pahalı oluşu Toplam jeotermal akışkan akış oranlarının yüksek olma gereksinimi İkincil sıvı olarak hidrokarbon kullanılırsa, hidrokarbonun yanıcı olma riski taşıması İkincil sıvı olarak freonlar kullanıldığında ozon tabakasına zarar vermeyecek sıvılar seçme zorunluğu olması Rusya Freon 12 ile çalışan bir binari tipi jeotermal santralı Kamçatka yarımadasındaki Patunka’da başarıyla denemiştir. 1967 yılında kurulan bu santral birkaç yıl çalıştıktan sonra sökülmüştür. Japonlar Otake ve Mori’de bu tür santraller çalıştırmaktadır. ABD East Mesa’da izobütan, propan kullanan bir santral çalışmaktadır. Çalışan ilk jeotermal santral jeotermal sıvının enerjisini bir ısı eşanjörü ile saf suya aktaran bir jeotermal sıvı/saf su binari sitemi idi. Bu santral İtalya’da çalıştırılmıştır. Daha sonra modern türbinlerin geliştirilmesiyle bu uygulamaya son verilmiş ve jeotermal buhar direk olarak kullanılmaya başlanmıştır. (g) Hibrid Fosil /Jeotermal Santraller: Jeotermal enerji santrallerinin en büyük problemi jeotermal sıvıların sıcaklıklarının düşük olması nedeniyle sistem verimlerinin düşük olması ve santrallerden alınan toplam gücün sınırlı kalmasıdır. Bu yüzden birim enerji olarak yatırım maliyetleri de yüksek olmaktadır. Jeotermal kaynakların elektrik enerjisi elde edilmesinde daha etkili kullanılmasının yollarından birisi, klasik fosil enerji santralleriyle hibrit olarak kullanılmalarıdır. Böyle bir santralın en büyük dezavantajı fosil santral yakıtının ve jeotermal enerjinin aynı bölgede bulunma olasılıklarının düşüklüğüdür. Şu anda ülkemizde yap işlet devret modeliyle kurulan doğal gaz santrallerinin çoğalması ve doğal gazın dağıtımının ülke boyutunda dağıtılması hibrit jeotermal santrallerin ülkemiz için geçerli bir alternatif olmasını getirebilir. Doğal gaz tek başına pahalı bir santral yakıtıdır. Özel şirketler tarafından ucuz ilk yatırım maliyeti ve küçük boyutta ısı – elektrik santralleri olarak kurulan bu üniteler eğer jeotermal kaynaklarla birleştirilebilirse ham daha ekonomik olarak kullanılabilecekler, hem de jeotermal enerji kaynaklarının kullanımlarını fizibil hale getirebileceklerdir. 5.5 Türkiye’nin ve Dünyanın Jeotermal Enerji Potansiyeli Türkiye jeotermal zenginlik açısından dünyanın yedinci ülkesidir. Jeotermal enerji aramaları, 1962 yılında MTA Genel Müdürlüğü ’nün termal sulara yönelik envanter çalışması ile başlamış, ilk kuyu 1963 yılında İzmir Balçova’da açılmış ve 40 m 597 derinlikte 124 °C akışkan (sıcak su + buhar) bulunmuştur. Ülkemizde yüzey sıcaklığı 40°C’nin üzerinde 140 adet jeotermal saha vardır. Bu sahaların 136 tanesi merkezi ısıtmaya, sera ısıtmasına, endüstriyel proses ısı kullanımına ve kaplıca kullanımına uygundur. Diğer 4 sahanın teknik ve ekonomik olarak elektrik üretimine uygun olduğu saptanmıştır. Jeotermal enerjiden ilk ve tek elektrik üretim santrali Kızıldere’de 1984 yılında kurulmuştur. 20.4 MW kurulu gücü ile dünyadaki jeotermal santraller arasında 14. sırayı almasına karşın 12 MW kapasite ile çalıştırılmaktadır. 200°C’de üretilen su elektrik enerjisi üretiminde kullanıldıktan sonra sera ısıtması ve kuru buz üretiminde kullanılmaktadır. Ayrıca santralde buhardan ayrıştırılan karbondioksit gazı atmosfere verilmeyip santrale entegre olan Karboğaz Şirketi tarafından 40.000 ton sıvı CO2 ve kuru buza dönüştürülmektedir. Bu üretim ile Türkiye’ nin karbondioksit ihtiyacının %50 si bu santral vasıtasıyla karşılanmaktadır. Elektrik üretimine aday bir diğer sahalar Aydın-Germencik (200-232°C), Çanakkale-Tuzla (173°C) ve Aydın-Salavatlı (171°C) sahasıdır. Bugüne kadar jeotermal enerjinin başlıca tüketim alanı ısıtmacılık (konut, sera), elektrik üretimi ve sağlık turizmi olmuştur. Türkiye’deki jeotermal enerji tüketiminin %87’si ısıtma amaçlı kullanılmaktadır. Türkiye’nin görülebilir mevcut toplam jeotermal ısı kapasitesi 2264 MW civarındadır. Halen Türkiye’de 50000 konut eşdeğeri jeotermal ısıtma, 20000 m2 sera ısıtması gerçekleştirilmektedir. Türkiye’de jeotermal enerji ile bazı büyük çaplı merkezi ısıtma uygulamaları aşağıda verilmektedir. • Gönen’de 1500 konut, 56 adet tabakhane, 200 m2 sera, 600 yataklı otel ısıtması ve tabakhanelerin sıcak su proses suyu ihtiyacını karşılayan sistemin kapasitesi 16.2 MW’dır. • İzmir’de Tıp Fakültesi (30.000 m2), Balçova Jeotermal Sahasından üretilen akışkanla 1983’den beri ısıtılmaktadır. İlave 110.000 m2 ‘lik ısıtma sistemi ile sıcak su kullanımı durumunda sistemin toplam kapasitesi 17.8 MW olmaktadır. • Türkiye’de ilk kuyu içi eşanjör uygulaması 1981 yılında Balçova Termal Tesislerinde gerçekleştirilmiştir. Bu tesis hotel, açık ve kapalı yüzme havuzu ve kür merkezini içermektedir. Simav’da 3500 konut, toplam 730 yataklı termal kompleks ve 80.000 m2 alana • sahip bir seranın toplam kapasitesi 66 MW’dır. • Kırşehir’de 1800 konut ve 530 yatak kapasiteli 5 adet oteli ısıtan merkezi ısıtma sisteminin kapasitesi 18.3 MW’dır. Jeotermal enerjinin elektrik üretiminde kullanılması, ekonomik açıdan en önemli olan kullanım şeklidir. Elektrik enerjisi elde edebilmek için gerekli ön araştırmaların ve tesis masraflarının çok yüksek olmasına karşın kurulduktan sonra çok düşük maliyetle 598 işletilmesi de en büyük avantajlarındandır. Tablo 5.1’de ülkelerin kurulu jeotermal elektrik üretim kapasiteleri verilmektedir. 1996 yılı itibariyle dünyada toplam 8600 MW gücünde jeotermal santral kurulu gücü vardır. Dünyada jeotermal enerjinin elektrik santralleri dışında kullanımı, 1996 yılı itibariyle toplam 11300 MW güce ulaşmıştır. Amerika Birleşik Devletlerinde 1874 MW, Japonya’da 3321 MW, Çin’de 1915 MW, Macaristan 340 MW, İzlanda’da 1443 MW, Fransa’da 599 MW, İtalya’da 307 MW ve Türkiye’de 635 MW düzeyindedir. Tablo 5.1 Dünyada kurulu Jeotermal güç sistemleri Jeotermal Santrallerden Elektrik ÜLKE Üretim Kapasitesi (MW) 1990 1995 Avustralya 0.00 0.10 Çin 19.20 28.78 Kosta Rika 0.00 55.00 El Salvador 95.00 105.00 France 4.20 4.20 İzlanda 44.61 49.40 Endonezya 309.75 144.76 İtalya 545.00 631.70 Japonya 214.61 413.70 Kenya 45.00 45.00 Meksika 701.0 753.00 Yeni Zelanda 286.00 283.21 Nikorogua 35.00 35.00 Filipinler 892.0 1.191.00 Portekiz 4.0 5.00 Rusya 12.0 11.00 Tayland 0.31 0.30 Türkiye 20.60 20.60 Amerika 2816.70 2774.61 Toplam 5831.72 599 6761.98 6. Biyokütle Enerjisi 6.1 Giriş Biyokütle, yeşil bitkilerin güneş enerjisini fotosentez yolu ile kimyasal enerjiye dönüştürerek depolaması sonucu meydana gelen biyolojik kütle ve buna bağlı organik madde kaynakları olarak tanımlanmaktadır. Karbon içeren organik maddeler oksijenle reaksiyona girdiklerinde ısı açığa çıkartırlar. Şekil 6.1’de doğal biyokütle çevrimi görülmektedir. Şekil 6.1 Doğal biyokütle çevrimi Biosferdeki kuru maddenin biyokütlesel çevrimi yaklaşık 250X109 ton/yıl olup bunun karbon miktarı 100X109 ton/yıl ‘dır. Enerji içeriği ise 2X1021 J/yıl (0.7 X 1014 W)’ dır [Twidell, 1990]. Üretilen toplam biyokütlenin ağırlıkça %0.5 ‘i insan yiyeceğinden sağlanmaktadır. Organik madde ihtiva eden artıkların mikrobiyolojik yönden değerlendirilmesi hem çevre kirliliğine yol açmaması, hem de temiz enerji üretimi sağlaması bakımından önem taşımaktadır. Özellikte gelişmekte olan ülkelerde kullanımı en yaygın olan kaynak biyokütledir. Dünya enerji tüketiminin yaklaşık % 15’i, gelişmekte olan ülkelerde ise enerji tüketiminin yaklaşık %43’ü biyokütleden sağlanmaktadır. Biyokütle; her yerde yetiştirebilmesi, çevre korunmasına katkısı, elektrik üretimi, kimyasal madde ve özellikle taşıtlar için yakıt olabilmesi nedeni ile stratejik bir enerji kaynağı olarak sayılmaktadır. Biyokütle kaynakları arasında yer 600 alan odun, hayvan ve bitki artıkları ülkemizde uzun yıllardan beri (özellikle kırsal kesimdeki konutlarda) alan ısıtma ve yemek pişirme amaçlı olarak kullanılmaktadır. Bu geleneksel enerji kaynağı konutlardaki enerji tüketiminin % 40 kadarını oluşturmaktadır. 6.2 Biyokütle Kaynakları Enerji üretiminde kullanılabilecek biyokütle kaynaklarını; bitkisel kaynaklar, hayvansal atıklar, şehir ve endüstri atıkları şeklinde sınıflandırabiliriz. (a) Bitkisel kaynaklar: Bitkisel kaynaklar olarak; orman ürünlerini, 5-10 yıl arasında büyüyen ağaç türlerini içeren enerji ormanlarını, bazı su otlarını, algleri ve enerji (C4) bitkilerini sayabiliriz. Enerji bitkileri olan tatlı sorghum, şeker kamışı, mısır gibi bitkiler; diğer bitkilere göre CO2 ve suyu daha iyi kullanmakta, kuraklığa karşı daha dayanıklı olmakta ve fotosentetik verimleri daha yüksek bulunmaktadır. Bu bitkilerden alkol ve değişik yakıtlar üretilmektedir. Türkiye’de; bitki artıkları, fındık ve ceviz kabuğu, prina, ayçiçeği kabuğu, çiğit ve mısır gibi artıklar enerji amacıyla değerlendirilmektedir. Kuru biyokütlenin ısıl değeri 3800-4300 kcal/kg arasında değişmektedir. Biyokütleden yakma yolu ile enerji elde edilmesinde yanma verimi orta kaliteli bir kömüre eşittir. Biyokütlenin çoğu kömürden daha az miktarda kül ve kükürt içermektedir. Biyokütlenin enerji üretimi amacıyla geniş oranda kullanımını engelleyen bazı problemler vardır. Bunlar; biyokütle kaynağının yoğunluğu nedeni ile nakliye ve depolama maliyeti ve bu mahsullerin hektar başına verimliliğinin düşük olmasıdır. Türkiye’de odun ve bitki artıkları yıllardır ısınma amaçlı olarak kullanılmaktadır.1997 yılı sonuçlarına göre birincil enerji kaynaklarının toplam enerji tüketimi içindeki odunun payı % 8.1 iken hayvan ve bitki artıklarının payı % 2.3 ile sınırlı kalmıştır. Odunun (odun ve benzeri selüloz ihtiva eden maddelerin) biyokütle kaynağı olarak değerlendirilmesinde izlenen yollardan birisi oksijensiz ortamda ve yüksek sıcaklıklarda (350-800°C) piroliz yapmaktır. Piroliz sırasında odun kömürü ile birlikte asetik ve formik asit metonol, aseton ve formaldehit gibi ürünler de elde edilmektedir. Hızlı ve verimli bir piroliz için odunun tamamen kurutulması ve 150200°C’a kadar ön ısıtmaya tabi tutulması gerekmektedir. Katı yüzdesi fazla olan atıklardan piroliz ile gaz yakıt ve aktif karbon üretimi yapılmaktadır. Bitkisel kaynaklı biyokütleden elde edilen etil alkol ve metil alkol, alternatif yakıt çeşitleri olarak özellikle gelişmekte olan ülkelerde, petrol ürünleri yerine kullanılmaya başlamıştır. Metil alkolün üretimi ve kullanılmasında bazı sorunlar olduğu için etil alkol tercih edilmektedir. Etil alkol; alkollü içkilerde, kimya sanayiinde, fuel-oil 601 yanında kazan yakıtı ve ya benzin yakıtı olarak kullanılmaktadır. Etonal üç farklı biyokütleden üretilmektedir. • Şekerli karbonatlardan (şeker kamışı, melas, sorgum ) • Nişastalar (mısır,patates.) • Selülozlu bitkiler(odun,zirai artıklar) Şekerli karbonhidratlarından etonal üretiminde karbonhidratın basit şeker formunda ve fermente edilebilir durumda olması ve elde edilen artık elyaf veya küspenin tekrar süreç içersinde enerji hammaddesi olarak kullanılabilmesi gerekmektedir. Nişastalar ise daha kompleks yapıya sahip olmalarından dolayı şekerleşme süreci ile ihtiva ettikleri karbonhidratlar basit şeker formuna dönüşmektedir. Bu ilave bir sürece ihtiyaç duyduğundan yatırım ve işletme masraflarını artırmaktadır. Selülozlu bitkilerin ihtiva ettikleri karbonhidratlar gerek moleküler yapı ve gerekse fermente edilebilir şekere dönüşüm süreçleri açısından önceki gruplara nazaran daha karmaşık yapıya sahip olduğundan alkol dönüşüm verimleri düşüktür. Etanolun otomobil yakıtı olarak en yaygın kullanıldığı ülke Brezilyadır. Etanol, şeker kamışından fermantasyon ve damıtma sonucunda % 94-96 saf alkol alınacak şekilde üretilmektedir. Biyokütle kökenli sentetik akaryakıt kapsamında yer alan alkol karışımlı benzin ve bitkisel yağ karışımlı motorin dışında, bazı enerji bitkilerinden elde edilen yağlar dizel yakıtı yerine kullanılabilmektedir. (b) Hayvansal Atıklar: Hayvansal gübrenin samanla karıştırılıp kurutulması suretiyle elde edilen tezeğin köylerde yakıt olarak kullanımı oldukça yaygındır. Hayvansal gübrenin oksijensiz ortamda fermantasyonu ile üretilen biogazın dünyada kullanımı da oldukça yaygındır. Herhangi bir atıktan metan meydana gelişi, bakteriler tarafından iki kademede gerçekleştirilir. Önce kompleks organikler, asit bakterileri tarafından uçucu yağlı asitlere dönüştürülür. Sonra üreyen asitler metan bakterileri tarafından metan haline getirilir. Elde edilen gaz % 55-70 metan, %30-45 karbondioksit, az miktarda hidrojen sülfür ve su bileşimine sahiptir. Biyogazın ısıl değeri, karışımdaki metan yüzdesine bağlı olarak 1900 ile 27500 kJ/m3 arasında değişmektedir. Biyogaz üretiminde genel olarak kesikli besleme metodunda, fermantasyon tankına taze çiftlik gübresi verilir. Ve tank hava almayacak şekilde kapatılır. Gübrenin havasız ortamda fermantasyonu sonunda meydana gelen biyogaz, bir boru ile gazometre denilen ikinci bir kapta toplanır. Kesikli besleme yönteminde, tanka ilk gübre beslemenin yapılmasından yaklaşık 15 gün sonra biyogaz üretimi başlamakta ve gazın sürekliliği 60 gün sürmekte, bu sürenin sonunda gaz verimi düşmektedir. Bu durumda fermantasyon tankı boşaltılarak tekrar taze çiftlik gübresi doldurulur. Biyogaz üretiminden sonra elde edilen fermente gübrenin, fermente olmamış gübreye oranla %20-25 daha verimli olduğu belirtilmektedir. Ülkemizde biyogaz üretim potansiyeli 602 2.8 – 3.9 milyar m3 olarak belirlenmiştir. Şekil 6.2.’de iki farklı biyogaz üretim sistemi verilmiştir. Şekil 6.2 İki farklı biyogaz üretim sistemi ( c ) Şehir ve endüstri Atıkları: Çöp depolanan yerlerinde ve evsel atık su arıtma tesislerinde oluşan arıtma çamurları eğer önceden stabilize edilmemiş ve biyokimyasal aktivitileri durdurulmamışsa aerobik organizmalar tarafından ayrıştırılarak metan gazına dönüştürülecektir. Metan gazı aynı zamanda sera etkisinin oluşmasında en az karbondioksit ve su buharı kadar etkili olduğundan oluşumu kontrol altına alınarak değerlendirme yoluna gidilmiştir. Bu amaçla çöp toplanan alanında oluşan gazları toplayacak şekilde sondaj boruları belirli bir düzene göre yerleştirilerek oluşan gazlar toplanmaktadır. Çıkan gazlar arıtılarak gaz jeneratörüne gönderilmekte ve gaz jeneratöründe elektrik elde edilmektedir. Diğer uygulama alanları ise doğal gaz sisteminde ve araçlarda yakıt olarak, kimya sanayinde saf metan haline getirilerek kullanma olarak sıralanabilir. Elde edilen biyogazın doğal gaz dağıtım sisteminde kullanılması, gaz temizleme işleminin pahalı olması nedeniyle fazla uygulanmamaktadır. Toplanan çöpün bileşimine bağlı olarak oluşan gaz içindeki 603 bileşenler; metan % 35- 60, karbondioksit % 35-55, nitrojen % 0-20 arasında değişmektedir. Depolama alanından oluşan 1 metreküp gazın ısıl değeri ise yine çöpün bileşenlerine bağlı olarak 18- 27 MJ/Nm3 arasında değişmektedir. Türkiye’nin ilk çöp gaz santralı AKSA jeneratör tarafında Bursa Demirtaş’ta kurulmuştur. 1.4 MW gücünde ve 2 milyon dolara mal olan santralden yılda 10 milyon kW/h elektrik üretimi planlanmaktadır. Çöp ve katı maddelerin enerji elde etmenin diğer bir yolu ise piroliz ve yüksek sıcaklıklarda yakılmasıdır. Çöp ve katı atıkların uygun yakma tesislerinde havayla yakılması ile elde edilen enerji ısı enerjisinde veya elektrik üretiminde değerlendirilmektedir. 6.5. Biyokütlenin enerjiye dönüştürülmesi Biyokütle organik madde ve sudan meydana gelmiştir. Şekil 6.3’de biyokütleden biyoyakıt üretime işlemleri görülmektedir. Şekil 6.3 Biyokütleden biyoyakıt üretme işlemleri 604 Şekil 6.4’de ise biyoküklenin farklı şekillerde değerlendirilmesi sonucu enerji dönüşüm yüzdesi verilmiştir. Proses Enerji üretimi Yanma Gazlaştırma Anaerobik parçalanma (hayvansal atıklar) Alkol üretimi Isı Elektrik Kojenerasyon Isı Elektrik Kojenerasyon Proses enerji kayıpları(% ) 40 - 50 75 - 85 60 - 81 48 - 51 80 - 84 37 - 42 Sağlanabilen enerji(%) 47.3 - 57.8 9.8 - 19.3 14.5 - 37.0 43.5 - 49.0 9.8 - 16.3 51.3 - 59.0 Isı Elektrik Kojenerasyon 55 - 78 83 - 93 47 - 63 17.3 - 41.5 1.3 - 11.5 30.3 - 48.8 Isı Elektrik Kojenerasyon 63 - 65 77 - 79 66 - 68 29.0 - 31.0 14.0 - 16.0 22.2 - 27.6 kil 6.4 Biyokütlenin farklı şekillerde değerlendirilmesinde enerji balansı Biyokütlenin enerjiye dönüştürülmesinde göz önüne alınması gereken faktörleri sıralarsak; enerjinin az masrafla dönüştürülmesi, ekonomik olması, yenilenebilir kaynaklara dayalı olması, doğadaki dengeyi bozmaması, su, hava ve çevre kirliliğine yol açmaması olarak sıralanabilir. Enerji dönüştürülmesinde kullanılan teknolojinin basit ve çabuk uygulanabilir olması, yeterince eğitilmiş personele ihtiyaç duyulması da önemli bir faktördür. Bu nedenlerle katı organik atıklardan özellikle orman ve tarım artıklarından en basit şekilde enerji dönüşümü, onları direkt yakmakla mümkün olmaktadır. Bu şekilde yalnız hava kirliliğine yol açan enerji elde edilmiş olur. Bu tip direkt yakma sisteminde enerji dönüştüren ünitenin enerji tüketen merkezlere uzaklığı çok büyük ekonomik rol oynamaktadır. Ayrıca istenilen enerjinin devamlılığı da çok önemlidir. Büyük hacimdeki orman ve tarımsal ürünlerin uzak yerlere taşınması kapsadıkları önemli miktarda su nedeniyle ekonomik değildir. Direkt yakmanın en büyük alternatifi ise piroliz veya gazlaştırmadır. Bu yöntemler sayesinde katı yakıttan sıvı ve gaz yakıtlar üretilmektedir. Biyokütlenin geride kül ve curüftan başka bir şey bırakmayacak şekilde hava ile belirli bir basınç altında ısıtılması sonucunda yanar nitelikte gaz üretilir. Üretilen bu gaz hidrojen ve karbon monoksit yönünden zengin olduğundan kimya sanayiinde ana madde olarak ta kullanılabilmektedir. Teknolojide, biyokütlenin en uygun şekilde kullanılabilmesi için onun bazı özelliklerinin bilinmesi 605 gerekir. Bunlar, nem oranı (% olarak su miktarı), karbon/nitrojen oranı (C/N), kimyasal ve fiziksel özellikleridir. Enerji dönüşümünde kullanılacak biyokütleler için bu değerlerin bilinmesi son derece önemli olmaktadır. Şekil 6.5’de enerji amaçlı kullanılan biyokütlenin fiziksel kimyasal özellikleri görülmektedir. Şekil 6.5 Enerji amaçlı kullanılabilen biyokütlelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri İçinde % 35’den daha fazla su ihtiva eden biyokütle termokimyasal dönüşüm sonucu elektrik üretimi için uygun değildir. Biyokütle içersinde yüksek oranda şeker bulunuyorsa bu ürün alkol fermantasyonu ve anerobik fermentasyon için uygundur. Nem oranının yanında parça boyutu da uygun dönüşüm sisteminin seçiminde önemli bir parametredir. Direk yakma için %8-15 arası nem oranı uygun olup, ocak ateşinde yakmada 50-100 cm arası parça boyutu idealdir. Bu boyut, pişirme sobasında 15-35 cm’e kadar düşer. Karbonlaştırma işlemi %8-15 arası nem oranları tercih edilir. Odunun gazlaştırma sistemde kullanılabilmesi için odun içindeki nemin ayarlanması gerekir. Bu da ancak kurutma işlemi ile gerçekleşir. Enerji yoğunluğunu birim hacim başına artırmak için briketleme işlemi yapılır. Böylece daha kolay taşıma ve stoklama sağlanır. Şekil 6.6’da basit bir bir biyokütle kurutma sistemi verilmiştir. Burada kapalı bir hacimde bulunan biyokütle parçalarının üzerine sıcak hava gönderilerek biyokütlenin kurutulması sağlanmaktadır. 606 Şekil 6.6 Biyokütle kurutma sisteminin şematik görünümü. 6.4 Biyokütlenin Termal Parçalanması Biyokütlenin termal parçalanmasında üç farklı yöntem uygulanmaktadır. (d) Piroliz: Organik maddeler oksijensiz ortamda ısıtılırsa ortaya çıkan termal parçalanma sürecine piroliz adı verilir. Şekil 6.7’de iki farklı oksijen ortamında odunun termal parçalanması görülmektedir. Oksijensiz ortamda 500-600 oC’ a kadar yapılan ısıtmada; gaz bileşenleri, uçucu yoğuşabilir maddeler, mangal kömürü ve kül açığa çıkar. Yüksek sıcaklığa çıkıldığında ise gaz bileşenleri ve odun gazı açığa çıkar. Piroliz süreci şu şekilde gerçekleşmektedir: Oksijensiz ortamda karmaşık organik moleküller 400-600 oC sıcaklık bölgesinde parçalanarak yanabilir, yanamaz gazlar, katran ve zift açığa çıkar. Odunun pirolizi 4 karakteristik bölgeye ayrılmaktadır. Birinci bölge 200oC’a kadar olan sıcaklık bölgesi olup burada su, CO2, formik asit ve asetik asit açığa çıkar. İkinci bölge 200-280 oC sıcaklık bölgesi olup; su buharı, formik asit, asetik asit, bir miktar CO ve glioksal açığa çıkar, reaksiyon hala endotermik olup gazların büyük bir kısmı yanamaz niteliktedir. Üçüncü bölge 280-500 o C arasında olup yoğun bir eksotermik reaksiyon başlar. 280-400oC arasında yaklaşık 880 kJ/kg ısı açığa çıkar. Yanabilir gazlar her şeyden önce CO ve CH4 olup formaldehid, formik ve asetik asit, metanol ve sonraki aşamada bir miktar H2 açığa 607 çıkar. Küçük katran damlacıkları gaz akımıyla nakledilir. Dördüncü bölge 500oC’in üstü olup burada reaksiyonlar yoğun bir şekilde devam eder. Yüksek düzeyde yanabilir maddeler, CO, H2, metanol ve aseton oluşur. Karbonla su buharının temasından CO ve H2 elde edilir[Status Report, 1986]. (e) Karbonlaştırma: Karbonlaştırmada; odun, turba, maden kömürü gibi organik maddeler havasız ortamda kimyasal parçalanmaya uğrarlar. Bu işlem de farklı sıcaklık bölgelerinde gerçekleşir. Yaklaşık 170oC’a kadar suyun buharlaşması tamamlanır. 180oC den yüksek sıcaklıklarda odun polimerlerinin parçalanma tepkimeleri açığa çıkmaya başlar. 200-350 oC sıcaklıklar arasında eksotermik boşalma reaksiyonları meydana gelerek metanol, asetik asit, katran, CO ve su açığa çıkar. 350oC’ nin üzerindeki sıcaklıklarda ek katran ürünleri oluşur. 500oC dan daha yüksek sıcaklıklarda çatlama süreci ve dehidrasyon tepkimeleri oluşur. Odun tipine ve karbonlaştırma işleminin son sıcaklığına bağlı olarak elde edilen odun kömürü kuru odunun yaklaşık %28-38’i arasında değişir. Odun kömürünün kalori değeri ise 30kJ/kg’ dır. Karbonlaşma işlemi sonucu açığa çıkan gaz bileşenleri ise yaklaşık olarak %50CO2, %35 CO, %10 CH4 ve %5 diğer hidrokarbon ve H2 dir. Gaz karışımının yaklaşık kalori değeri 8.9 MJ/m3 ‘dır. Odunun karbonlaştırılmasındaki sıvı ürünler ise sulu kısım ve katrandır. (c) Gazlaştırma: Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500 oC sıcaklığa kadar olan süreç piroliz safhası olup burada; karbon, gazlar (kalorifik değeri 20 MJ/m3 e kadar çıkabilir) ve katran elde edilir. Isıtma 1000 oC’ a kadar çıkıldığında karbon da su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 üretilir. Ham maddedeki değişken oksijen oranına bağlı olarak gasifikasyon işlemi için ilave oksijen girdisi gerekmeyebilir. Şekil 6.6a ve b’de iki farklı oksijen ortamında odunun termal parçalanması görülmektedir. Gasifikasyonda önemli olan biyokütlenin nem oranının % 30’u geçmemesidir. Nem oranı arttıkça gazın kalorifik değeri düşmektedir. Ayrıca hacımsal olarak yanabilir gaz olan CO miktarı düşerken CO2 miktarı da artmaktadır. 608 Yaklaşık 500-600 oC’ a kadar Yüksek sıcaklık Karbonlaştırma Gazlaştırma ------------------------------------------- PİROLİZ --------------------------------------Şekil 6.7a Odunun oksijensiz ortamda termal boşalması Şekil 6.7b Odunun oksijen ortamında termal boşalması Bitkisel atıklar yakılırsa kısmi yanmada kalori değeri 4500-6000 KJ/m3 olan gaz üretilir. Gazlaştırıcının içindeki kor halinde bulunan maddeye su buharı püskürtülürse su gazı elde edilir. Bu gazın kalorifik değeri 10MJ/m3 dür. Bu gaz CO ve H2 den oluşur. 2.5-3 kg odun 1 litre petrolün yerine, 3-3.5kg odun ise 1 litre dizel yakıtın yerine geçer. Kömür ve biyokütlenin gazlaştırılması çok eski zamandan beri bilinen bir teknolojidir. İşlem sonucu elde edilen yanabilir gaz karışımı, benzin ve dizel yakıtı gibi içten yanmalı motorlarda kullanılabilir. Biyokütleden üretilen bu gaz, benzin ve motorin ile karşılaştırıldığında ucuz ve güvenilir bir yakıt olduğu görülmesine karşılık uzun bir süre motorlarda kullanılmamıştır. Ancak benzinin bulunmadığı dönemlerde ve özellikle de II. Dünya savaşında yoğun bir şekilde kullanılmıştır. Burada daha az kullanılmasındaki en önemli faktör; petrol ürünlerine göre üretimi ve depolanmasının daha zahmetli olması, gaz üretim sistemlerinin çalıştırılması için farklı üniteler gerektirmesidir. Gazlaştırıcı bir sistem başlıca; bir gazlaştırıcı ünite, temizleme sistemi ve enerji dönüşüm sisteminden (yakma veya içten yanmalı motor) oluşur. Burada en 609 önemli problem gaz üretmek değildir. Üretilen gazın içten yanmalı motorların kullanabileceği şekilde fiziksel ve kimyasal özelliklerini sağlamaktır. Benzin ve dizel motorlarının ihtiyacı olan petrol kökenli yakıt bir depodan sıvı halde emilir. Bu yakıtlar homojen olup bileşenleri zamanla değişmez. Bu nedenle bu motorlarda yakılmasında ve sistemin çalıştırılmasında bir problem oluşturmaz. Gazlaştırıcıda üretilen yanabilir gazlarda homojen bir karışım yoktur ve zamana bağlı olarak da gazın fiziksel ve kimyasal özellikleri (bileşimi, enerji miktarı, kirliliği) değişebilir. Gazlaştırıcı ile içten yanmalı makina arasında bir depolama tankı yoktur. Üretilen gaz motorda yakılmadan önce çok iyi temizlenmelidir. Son zamanlarda bu gazlar başarılı bir şekilde motor uygulamalarında kullanılmaktadır. Özel bir motor tasarımı yapılmadan motor üzerinde yapılacak küçük değişikliklerle içten yanmalı motorlarda kullanılabilmesi mümkündür. Şekil 6.8’de böyle bir sistem görülmektedir [Kaupp, 1984]. Şekil 6.8 Bir gazlaştırıcının motorlu taşıt sistemi ile birlikte şematik görünümü (1gazlaştırıcı, 2-filtre, 3-soğutucu, 4-ince filtre, 5-fan, 6-gaz ve hava karıştırma lülesi, 7motor, 8a-fan, 8b-gaz türbini, 9-gaz pedalı, 10-hava seviyesi kontrolü, 11-odun, 12-su toplama cebi, 13-ateşleme sistemi, 14-hava girişi, 15-yanma hava borusu, 16-gaz çıkış borusu, 17-motordan çıkan gaz borusu, 18-atmosfere atılan egzoz gazı. 6.5 Gazlaştırıcı Sistemler Gazlaştırıcılar katı haldeki bir yakıtı gaz halindeki yakıta çeviren makinelerdir. Bir gazlaştırıcı sistem şu elemanlardan oluşur: Yüklenen yakıt, gazlaştırıcı sistem, gaz ölçüm ve temizleme sistemleri, alev veya motorda yakma sistemi. Biyokütle içerisindeki uçucu organik moleküller yakıtın yaklaşık % 80’nini oluşturduğundan gazlaştırılmada temel görev bu uçucu maddeleri sürekli gazlara çevirmektir. İkinci iş 610 ise oluşan kömürü gazlaştırmaktır. Bu işlemler için sabit yatak gazlaştırıcıların en önemli iki tipi olan ’Downdraft’ ve ’Updraft’ gazlaştırıcılar kullanılır. Bunlar arasındaki fark gazın gazlaştırıcı içerisindeki akış şekli ile ilgilidir. Pratikte, ’Updraft’ tipteki gazlaştırıcı, yüksek nem miktarına sahip biyokütleyi kullanır. Elde edilen gazlar bir boylerde yakmaya uygun nitelikte olup, gaz karışımı içerisindeki yüksek orandaki katran (%5-10) nedeniyle motor uygulamaları için uygun değildir. ’Downdraft’ tipteki gazlaştırıcıda oluşan katran oranı %0.65-0.50 civarındadır. Biyokütlenin gazlaştırılması; hava sızdırmaz, kapalı bir sistem içerisinde ve hafif emme veya çevre basıncında meydana gelir. Yakıt kolonu bir noktadan ateşlenir ve gaz başka bir noktadan dışarı alınır. Yakıtın hava ile tam gerçekleşmemiş yanması biyokütlenin gazlaştırılmasının başlangıç kısmıdır. İşlem farklı bölgelerde meydana gelir. Bunlar Şekil 6.9’dan de görüldüğü gibi kurutma, damıtma, indirgeme, ateşleme ve kül bölgeleridir [Kaupp, 1984]. Gazlaştırıcılar üzerinde yapılan çalışmalar başlıca 3 kategoride toplanmaktadır. Bunlar : -Ticari amaçlı en uygun gazlaştırıcı tasarımı, Gazlaştırma esnasında enerji dengesi, gaz karışımı ve kimyasal reaksiyonlar ve Küçük ölçekli laboratuar bazında yapılan çalışmalardır. Çalışmaların çoğunda aşağıdaki şu soruların cevabı aranır: Temel kimyasal reaksiyonlar nerede ve nasıl meydana gelir? Karbonun gazlaştırılmasında belli reaksiyonların meydana gelebilmesi için en uygun model tipi ne olmalıdır? Özel amaçlar için gazlaştırma optimumlaştırılabilir mi? Yanma havasındaki oksijen ile katı yakıt arasındaki kimyasal reaksiyon şu şekilde (homojen olmayan) meydana gelir. C + 02 ----------------------- C02 + 393.8 kJ (25oC ve 1 at) Bu reaksiyonda 12.01 kg karbon giriş havasından sağlanan 22.39 m3 standart oksijenle birleşerek 22.26 m3 C02 ve 393.8 kJ ısı açığa çıkmaktadır. Burada önemli bir gözlem ise oksitlenme bölgesine yakıt artık karbonlaşmış bir formda gelir, tüm uçucu maddeler indirgeme ve damıtma arasında işlem görür. Bundan dolayı teorik olarak yanma bölgesinde sadece karbon ve mineral maddeler kalır. Karbonun tamamen yanması ya da karbonmonokside dönüştürülmesi ile gazlaştırma işlemi tamamlanır, Geri kalan ise sadece küldür. Pratikte bir miktar yanmamış karbon da külün içinde kalır. Gönderilen hava, oksijenin yanında bir miktar su buharı, nitrojen ve argon gazı da içerir. Nitrojen ve argon yakıtla herhangi bir reaksiyona girmeden olduğu gibi sistemi terk eder. Buna karşılık hava içerisindeki su buharı sıcak karbonla reaksiyona girer. Bu reaksiyon şu şekilde gerçekleşir: C + H2O -------------------- H2 + CO - 131.4 kJ (25oC ve 1 at) Bu reaksiyonda, 12.01 kg karbon 22.4 m3 su buharı ile reaksiyona girerek 22.34 m3 hidrojen ve 22.40 m3 karbon monoksit meydana gelir. Bu reaksiyon için 131.4 kJ ısı absorbe edilir. Şekil 6.10‘da bir gazlaştırıcı içerisindeki farklı sıcaklık bölgeleri görülmektedir. Ulaşılabilen en yüksek sıcaklık bölgesi oksitlenme bölgesinde 611 gerçekleşir, bu sıcaklık tasarlanan gazlaştırıcı tipine, kullanılan yakıt tipine bağlı olarak değişir. Şekil 6.9. Gazlaştırıcıdaki farklı bölgeler Şekil 6.10 Gazlaştırıcıdaki sıcaklık dağılımı Küçük ölçekli gazlaştırıcılar oldukça basit cihazlardır. Yakıtla dolu silindirik bir gövdeden oluşurlar. Bu gövde üzerinde hava giriş ve gaz çıkışı için bir ağız bulunur. Ayrıca bir de ızgara vardır. Gövde ateş tuğlasıyla örülmüştür. Gazlaştırıcılar, ya taşınabilir olarak yapılırlar ve bir kamyona yüklenerek istenilen yere götürülürler ya da sabit bir yerde kurulurlar. Gazlaştırıcıların tasarımında en önemli kısım yakıt kolonuna verilecek havanın gönderiliş biçimi ve yeridir. Buna göre de gazlaştırıcılar sınıflandırılırlar. En önemlileri ise Updraft, Downdraft ve Crossdraft gazlaştırıcılardır. a) Updraft gazlaştırıcı: Hava akışı, yakıt akışına ters olarak ve gaz üretecinin mümkün olduğu kadar alt kısmından sağlanmıştır. Üretilen gaz ise gazlaştırıcının üst kısmından alınmaktadır. Şekil 611’de bir Updraft gazlaştırıcı görülmektedir. Updraft gazlaştırıcılar, sıcak gazların yakıt kolonundan geçerek oldukça düşük sıcaklıkta gazlaştırıcıyı terk ettiklerinden yüksek verime sahiptirler. Gaz tarafından verilen duyulur ısı yakıtı kurutmak ve ön ısıtmak için kullanılmaktadır. Damıtma ve kurutma bölgesinde meydana gelen ürünler ise; su, katran ve yağ buharları olup bunlar oksitlenme bölgesine geçmezler. Bu nedenle bu gazlaştırıcılarda yüksek uçucu 612 maddeye sahip yakıtların gazlaştırılması yapılıyorsa, üretilen gaz yüksek oranda katran içerecektir. Gaz kalitesini artırmak ve sıcaklığı külün ergime noktasının altında tutmak için bir çok üretici nemli hava kullanmaktadır. En önemli tasarım parametreleri ise şunlardır: Hava yüklemesinin yöntemi, gaz çıkışının pozisyonu, ızgaranın tipi ve boyutu, nemli hava girişi için ortalama buharlaşan su miktarı, ateş kutusu içi, beklenen özgül gazlaştırma oranı, yakıt yatağının yüksekliği. b) Downdraft gazlaştırıcı; Updraft gazlaştırıcıda üretilen gaz yüksek oranda katran içerdiğinden içten yanmalı motorlarda kullanılması zordur. Bu problemi ortadan kaldırmak için ‘’Downdraft’’ gazlaştırıcılar geliştirilmiştir. Bu tipte gönderilen hava, yakıtla aynı yönde yani aşağıya doğrudur ve gaz da gazlaştırıcının alt kısmından dışarı alınmaktadır. Şekil 6.12’ a ve b' de bu tip bir gazlaştırıcı görülmektedir. Bu tasarımın altında yatan temel düşünce ise şu şekildedir: Damıtma bölgesinde açığa çıkan katran, yağlar ve buharlar yüksek sıcaklığa sahip değildir. Bunlar, gaz çıkışından geçmek için kısmi yanma bölgesinden de geçmek zorundadırlar. Burada yüksek sıcaklıktan geçerken parçalanarak gaza dönüşürler. Böylece gaz karışımın içerisinde çok düşük oranda katran kalır. En önemli tasarım parametreleri ise; yanma bölgesinin tasarımı, hava gönderilmesi, ızgara tasarımı, boğaz tasarımıdır. Downdraft tipteki bir gazlaştırıcının hava giriş kısmının üzerinde daraltılmış dikdörtgen bir kesit vardır. Buna boğaz adı verilir ve bu boğaz sıcak karbona homojen bir kalınlık sağlayarak damıtma gazlarının geçişine izin verir. Bu nedenle tasarımda önemli bir parametre olmaktadır. Downdraft tipteki gazlaştırıcılar; yüksek kül oranına, yüksek nem oranına veya yüksek cürufa sahip yakıtların gazlaştırılmasına uygun değildir. Nem oranının %30'u geçmesi durumunda bu sistem için bu yakıtın kullanılması uygun olmayacaktır. Eğer yakıtın kül oranı yüksekse bu durumda ızgaranın döner olması gerekecektir. Bu gazlaştırıcı için önerilen en yüksek kül oranı %5 civarıdır. İlave buhar veya suyun sisteme verilmesi ‘’Downdraft’’ gazlaştırıcılarda çok kullanılmaz. Hidrojen üretimi için yakıt ve havadaki nem yeterli olmaktadır. b) Cossdraft gazlaştırıcı: Bu tipteki gazlaştırıcılar Updraft ve Downdraft gazlaştırıcılara karşı belirli avantajlarına rağmen fazla tercih edilmezler. Şekil 6.13’de bir Crossdraft gazlaştırıcı görülmektedir. Bu tip gazlaştırıcıların en büyük dezavantajları ise; gaz çıkış sıcaklığının yüksek olması, yüksek gaz hızı, CO2 indirgemesinin zayıf olmasıdır. Crossdraft gazlaştırıcılarda gaz çıkışı da diğer tiplerden farklıdır. Birçok durumda diğer gazlaştırıcılardan farklı olarak kül, ateşleme ve indirgeme bölgeleri bir ızgara ile ayrılmamıştır. 613 Şekil 6.11 Updraft gazlaştırıcı Şekil 6.12a. Downdraft gazlaştırıcı Şekil 6.12b Downdraft gazlaştırıcı Şekil 6.13 Crossdraft gazlaştırıcı Komple bir gazlaştırıcı sistem şu ünitelerden oluşmaktadır: biyokütlenin depolanması ve kurutulması, biyokütlenin gazlaştırıcıya yüklenmesi, katran ve külün gazlaştırıcıdan alınması, gazın sistemden çekilmesi, gazın temizlenmesi ve yakılması, ölçüm ve 614 kontrol sistemi. Komple bir sistem Şekil 6.14’de verilmiştir. Gaz ve sıvı kaçakları nedeniyle biyokütlenin gazlaştırıcıya yüklenmesinde problemler meydana gelebilmektedir. Endüstriyel ve zirai katı yakıtların gazlaştırıcıya yüklenmesi uygulamalarında daha ziyade titreştirici, karıştırıcı, taraklı veya dişli sistemler kullanılır. Biyokütlenin atmosfer şartlarından korunması için kapalı silo ve ambarlarda muhafaza edilmesi gerekir. Böylece onların dış etkilerden, yağmur ve rutubetten korunması sağlanır. Şekil 6.14 Bir gazlaştırıcı sistem ünitesinin şematik görünüşü Küçük ölçekli gazlaştırıcılarda (10 kW 'a kadar) yakıtın yüklenmesi elle yapılabilir. Otomatik yükleme sistemi kullanılmaz. Sürekli bir çalıştırma için mutlaka seviye kontrol alarmı veya diğer kontrol sistemleri bulundurulmalıdır. Büyük sistemlerde biyokütle serbest bir akışla bir yükleme hunisinden yerçekiminin etkisi ile yavaşça akar. Ayrıca, bir titreştirici veya bir karıştırıcı da gerekebilir. Biyokütle yakıtı yandan yana veya dik olarak bir kayış veya dişli kovalı elevatörlü bir sistemle de hareket 615 ettirilebilir. Katı yakıt akışının kesikli veya düzensiz olması gazlaştırma esnasında briketlenme, tıkanma gibi problemlere neden olur. Yanma sonucu oluşan kül, gazlaştırıcıdan alınıp depolanmalıdır. Bu kül içerisinde yanmamış karbon da bulunabileceğinden hava sızdırmaz kapta toplanmalı ve ayrıca da soğutulmalıdır. Kül, yüklenen biyokütle yakıtının kütlesinin yaklaşık %2-5’ ini oluşturur. Soğurken bile patlayıcı gaz çıkartabilir, bu nedenle yeniden tutuşma başlayabilir. Gazlaştırıcılar atmosfer basıncına oldukça yakın (50cm su sütünü değerinin üstünde veya altında) bir basınç değerinde çalışır. Bu nedenle iyi bir sızdırmazlık sistemi gaz veya hava kaçağı olmaması için son derece önemli olmaktadır. Çeşitli tiplerde katı yükleme ve sızdırmazlık sistemleri vardır. Mekanik sızdırmazlıkta gaz geçişi önlenir. Eğer gazlaştırıcı yüksek basınç altında çalıştırılıyorsa bu durumda ilave sızdırmazlık gerekecektir. Şekil 6.15’de yükleme konisi için iki ayrı sürgüden oluşan bir sistem görülmektedir. Şekil 6.15 İki ayrı sürgüden oluşan bir yakıt yükleme sistemi Gazlaştırıcıda oluşan gazın çekilmesi için uygun bir yöntem bulunmalıdır. Hareket halindeki gaz ve havanın kütlesi, yükleme için gönderilen yakıtın kütlesinden daha büyük olduğu için gazın çekilmesi için dışarıdan sisteme bir güç harcanması gerekir. 616 Böylece gaz, gazlaştırıcıdan emilir veya basınç altında çekilir. Atmosfer basıncının üzerinde bir çalışma varsa, bu durumda sistemde oluşan gaz kaçağı karbon monoksit içerdiğinden çok tehlikeli olur. Emme durumu söz konusu ise yani atmosfer basıncının altında bir çalışma söz konusuysa bu durumda da patlama tehlikesi daha azdır. Bu işlem için de fan kullanılır. Eksenel akışlı bir fan genellikle 10 mm cıva basıncı altında ve havayı ısı eşanjörlerine veya radyatörlere hareket ettirmek amacıyla kullanılır. Santrifuj tipli fanlar 100 cm basınç üzerine çıkabilirler ve gazlaştırıcı sistemlerde çok tercih edilirler. Bu basıncı üretebilmek için fan ya çok hızlı döndürülür ya da büyük çaplı yapılır. Bu durumda bir miktar katranı da beraberinde tutacağından çok sık temizlenmelidir. Kompresörler, ya havayı gazlaştırıcı içerisine itmek için ya da sistemden negatif basınç altında oluşan gazı çekmek için kullanılırlar. Gazın sistemden çekilmesi için daha fazla bir güce ihtiyaç vardır. Ejectorler tahliye cihazı olup kirli gazı tahliye için kullanılırlar. Hareketli parçası yoktur. Deneysel çalışmalarda gazlaştırıcı içerisindeki basınç düşüşleri sürekli olarak ölçülmelidir. Ayrıca, çeşitli noktalardaki basınçlar da (gazlaştırıcı çıkışında, temizleme ünitesi çıkışında, eğer gazlaştırıcı atmosfer basıncının üstünde çalışıyorsa hava girişinde) ölçülmelidir. Gazlaştırıcı içindeki basınç genellikle atmosfer basıncına oldukça yakındır. Genellikle basınçlar cm su sütunu cinsinden ölçülür. Basınç düşüşleri ise hassas basınç fark sondaları veya U borulu manometreler yardımıyla ölçülür. Gaz debisi ölçümü için genellikle rotametre kullanılır. Kirli gaz rotametreden geçirilmez. Rotametre ile giren havanın debisini de ölçmek mümkündür. Bu durumda gazın basıncına bağlı olarak ayrıca kalibrasyonunun da yapılması gerekir. Ayrıca diğer debi ölçüm yöntemlerinden pitot tüpü, sukbe, lüle veya venturimetre de kullanılır. Katı yakıt yükleme debisini de sürekli ölçmek gerekecektir. Bir çok gazlaştırıcıda otomatik yükleme yapılmaktadır. Seviye kontrolü yardımıyla yükleme oranı sürekli kontrol edilmektedir. Seviyeler arasındaki ağırlık değişimini kaydederek de kontrol yapılmaktadır. Düşük sıcaklık ölçümlerinde cıvalı termometreler kullanılırken yüksek sıcaklık ölçümlerinde ise K- tipi kromel alimel termokupullar tercih edilir. Optik piranometrelerle de 300 oC' dan 4000 oC ‘a kadar sıcaklıklar ölçülebilir. Ticari uygulamalarda kullanılan gazlaştırıcılar; emniyetli, güvenilir ve kullanışlı olmalıdır. Bu nedenle otomatik bir çalıştırmada uygun kontrol ve uyarı sensörleri mutlaka olmalıdır. Burada şu kontroller yapılmalıdır: yakıt seviye kontrolü, basınç ve sıcaklık kontrolü, bilgisayarlı data logging ve kontrolü. Biyokütlenin gazlaştırılması ile mekanik ve elektrik enerjisi üretmek mümkündür. Tarihte küçük gaz üreteçleri ile mekanik güç üretimi yapılmıştır. Büyük ölçekli 617 gazlaştırıcılarla gaz üretildiğinde, bu gazı boru hatlarıyla nakledilip pişirme, ısıtma ve aydınlatma amaçlı kullanmak mümkün olmaktadır. Küçük gaz üreteçlerinde üretilen gaz, ikinci dünya savaşında kamyon ve otobüslerde kullanılmıştır. ‘Updraft’ tipteki gazlaştırıcılardan elde edilen gaz yüksek miktarda katran ihtiva ettiğinden motor uygulamalarında kullanılamazlar ’Crossdraft’ tipteki gazlaştırıcılar daha hızlı tepki zamanına sahip olmalarına rağmen sadece düşük katrana sahip yakıtlar için uygundur ’Downdraft’ gazlaştırıcılar daha hızlı reaksiyon zamanına sahip olup, katran oranı düşük temiz gaz ürettiği için motor uygulamalarında rahatlıkla kullanılırlar. Tarihsel olarak bakıldığında üretilen bu gazın içten yanmalı motorlarda kullanıldığı görülür. Bununla birlikte gazlaştırıcıdan üretilen gazın gaz türbinlerinde de kullanımı günümüzde önemli bir uygulama alanı olmaktadır. Yani direkt elektrik enerjisi üretiminde yüksek verimle (%25-35) kullanılması mümkündür. Gaz türbinlerinin gelişimi üretilen gazın motorlarda kullanımınım bırakıldığı dönemlere rastladığından bu tip eski bir uygulama yoktur. Üretilen gaz, elektrik gücü üretimi için son derece önemli bir türbin yakıtı olacaktır. Burada kullanılması için gazın çok temiz ve alkali metallerden arındırılmış olması gerekmektedir. Üretilen gazın diğer bir potansiyel kullanım alanı ise yakıt hücrelerinde kullanılarak elektrik enerjisi üretimidir. Yakıt hücresi, içerisinde hareketli parça olmaksızın kimyasal enerjiyi direkt olarak elektriğe çeviren elektro-kimyasal bir alettir. Gelecekte yakıt hücreleri bu gazı kullanabilecektir. Bu konuda yoğun çalışmalar yapılmaktadır[Kaupp, 1984, Das, 1996]. 6.6 Biyogaz ve Yararları Bataklık gazı, marş gazı, gübre gazı veya gabor gazı adı verilen biyogaz oksijensiz ortamda oluşan bir fermantasyon ürünüdür. İki aşamada oluşan olayın birinci savhasında bazi bakteriler tarafından parçalanan uzun moleküllü yapı daha küçük moleküllere ayrılmaktadır. Bu esnada alkol, organik asit, ester, CO2 ve hidrojen gazları oluşmaktadır. İkinci safhada, büyük bir kısmını CH4 ve CO2 'nin oluşturduğu biyogaz meydana gelir. Biyogazın yararları şunlardır: (i) temizdir, (ii) kalorifik değeri yüksektir, (iii) gübre değeri yüksektir, (iv) tüm ev aygıtlarında ısıtma, aydınlatma ve benzeri işlerde kullanılabilir, (v) dizel motorlarında yakıt olarak kullanılabilir, (vi) çevre korunur. Bir gaz karışımı olan biyogazda % 55-70 CH4, % 30-45 CO2 , % 0-3 N2, %0-1 H2, ve %0-1 H2S bulunur. Bu rakamlar hacimce olup ortalama değerlerdir [Külünk, 1983]. Yüzdeleri ortam sıcaklığı, gübrenin su miktarı, ortamın PH değeri, ve gübre türüne bağlı olarak değişebilir. Karışımdaki gazlardan biyogazın yanıcı, renksiz ve kokusuz bir karışım olduğu anlaşılmaktadır. Biyogazın sıvılaştırılmış tüp gaz olarak kullanılabilmesi için karışımdaki CO2'nin ayrılması zorunludur. 7. Gel-Git Enerjisi 618 7.1 Giriş Enerji gel-gitlerde, okyanus ve denizlerdeki akımlarda ve bunlardaki termal gradyanlarda mevcuttur. Gelgit ve gelgit akımlarının 3x1012 W’a kadar güce sahip olduğu tahmin edilmektedir. Okyanusun termik tabanlarında depo edilen enerji güneşten alınır ve oldukça büyüktür. Fakat bütün bu okyanuslar üzerine geniş bir şekilde dağılmışlardır. Okyanusun yüzeyindeki dalga hareketinde de enerji mevcuttur. Okyanus enerjisinin depolanması zor ve oldukça karışık bir işlemdir ve geniş şekilde yayılmış enerjiyi toplama gereği yüksek maliyetlere neden olacaktır. Okyanus enerjisini kullanmak için şu anda en iyi fırsat, dünyadaki gel-git enerji kaynaklarının kullanılmasıdır. Gel-git enerjisinden ilk olarak 11. yüzyılda Fransa, İngiltere ve İspanya'nın Atlantik kıyılarında kurulan gel-git değirmenlerinden yararlanılmaya başlandı. 16. yüzyılda Londra köprüsünün kemeri altında kurulan 6 m çapındaki su çarkarıyla su şebekesindeki su ihtiyacının kısmen karşılandığı bilinmektedir. 1200 yıllarında Hollanda'da tesis edilen gel-git değirmenleri, 17. yüzyılda ABD’ne götürüldü. Gelgit ile çalışan motor Kaliforniya'daki Santa Cruz'da 1898 civarında kuruldu. Gel-git tahrikli bu mekanizmaların gücü 10 ile 50 kW arasında olup yaygın olarak un öğütmede, taşlama, freze ve torna makinelerinde kullanılmıştır. Gel-git; dünya-aygüneş sisteminin çekim ve kinetik kuvvetleri tarafından meydana gelir. Okyanus yüzeylerindeki yerçekimi kuvveti ay ve güneşin bulunduğu yere, konumlarına ve aynı zamanda bu kütleler arasındaki mesafelere bağlıdır. Gel-gitin periyodu dünya etrafında ayın dönme periyoduna ve dünyanın güneş etrafında dönüşü ve kendi etrafında günlük dönüşü ile yönüne bağlıdır. Ay ve güneş günlerinin uzunluğu arasındaki fark yükselen (gel) ve alçalan (git) seviyelerin meydana gelişini sağlar. Güneş, ay ve dünya ile aynı hizaya geldiğinde, yükselme meydana gelir ve bunlar dünyadan 90° sapınca alçalma meydana gelir. Gel-git kuvvetleri nispeten küçüktür ve su kütlesinde oluşturduğu tesirler büyük bir gölde gerçekten ihmal edilebilir. Açık okyanusta gel-git yüksekliği veya gel-git arasındaki yükseklik farkı R sadece 60 cm civarındadır. Bu yükseklik kıta sahanlıklarında 2 m’ye kadar çıkabilir. Haliç ve körfezlerdeki derin ve dar havuzlara içeriye doğru akan bir dalga hareketi ile yankılanır ve gel-gitin yüksekliği 9-10 m’ye kadar çıkabilir. En çok bilinen örnek ise, Kanada’nın doğu kıyısında Fundy körfezindekidir. Gel-git gücü, okyanus gel-gitinin yarım günlük yükselmesi ve alçalması esnasındaki kısmen kapalı bir körfez haznesinin dolma ve boşalması sırasında suyun salınım hareketinden elde edilir. Bu enerji; bu haznelerin bir baraj ile çevrilmesi ve okyanus 619 ile hazne arasında oluşturulan su seviyesiyle ve sonra bu suyun haznenin dolma ve boşalması esnasında akışı ile gel-git; elektrik gücüne kısmen dönüştürülebilir. Bu tesislerde çalışan Kaplan türbinleri elektrik jeneratörlerini tahrik ederler[Twidell, 1990, Külünk, 1983]. 8. Dalga Enerjisi Genellikle ihmal edilen göl,deniz, okyanuslardaki dalga enerjisi dünya yüzeyinin yaklaşık %71'ini kaplayan büyük su kütlesinin bu yüzeye gelen güneş enerjisini absorbe etmesi ve rüzgar hareketi ile oluşmaktadır. Dalga enerjisi kesikli bir kaynaktır. Bu nedenle bir depolama saistemine gerek bulunmaktadır. Dalga enerjisi ile; hidrojen üretimi, su pompası çalıştırılması ve hava depolama gibi depolama işleri yapıldığı takdirde dalga enerjisinden sürekli yararlanılabilir. Dalga enerjisi, doğal olarak ihtiyacın arttığı kış mevsiminde artmaktadır. Dalgaların taşıdığı güç yoğunluğu rüzgar ve güneş enerjisine kıyasla daha yüksektir. Temiz, tükenmez ve çevre sorunları olmayan dalga enerjisinin yararlı enerjiye dönüştürülmesi maksadıyla pek çok sistem önerilmektedir. Prensip olarak dalga enerjisinin başta elektrik enerjisi olmak üzere öteki enerjilere dönüştürülmesi mümkündür. Ancak üretim klasik yöntemlere kıyasla çok pahalıdır. KAYNAKLAR 1. Akyurt, M., Sevilir, E., Söylemez, E., Selçuk, K., Güneş Enerjisi ve Bazi Yakıtlarla Meyva ve Sebze Kurutulması, TÜBİTAK, 1971. 2. Dickinson, W.C., Cheremisinof, P.N., Solar Energy Technology Handbook, Marcel Dekker, Inc, 1980. 3. Duffie, J.A., Beckman, W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons, Inc, 1991. 4. Dunn, P.D., Renewable Energies: Sources, conservation and application, IEE Energy Series 2, Peter Peregrinus Ltd., 1986. 5. Eggeling, G., Mackensen, G., Sasse, L., Stephan, B., Biogaz Community Plans, Manual, Borda Biogas Team, 1985. 6. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü, EİEİGM, Rüzgar Enerjisi, I, II, II, 1992. 7. Elagöz, A., Tarım Ürünlerinin Güneşle Kurutulması için El Kitabı, TÜBİTAKMAM, 1990. 8. Fischer, G., Arter, A., Meier, U., Chapallaz, J.M., Governor Product Information, SKAT, Swiss Center for Appropriate Technology, 1990. 620 9. Freris, L.L., Wind Energy Conservation Systems, Prentice Hall, 1990. 10. Fynn, R.P., Short, T.H., Solar Ponds, A Basic Manual, The Ohio State University, 1983. 11. Harvey, A., Brown, A., Hettiarachi, P., Inversin, A., Micro Hydro Design Manual, A Guide to Small Scale Water Power, Intermediate Technology Publications, 1993. 12. Inversin, A.R., Micro Hydropower Sourcebook, NRECA International Foundation, 1986. 13. Jansen, T.J., Solar Engineering Technology, Prentice Hall, Inc, 1985. 14. Jiandong, T., Naibo, Z., Xianhuan, W., Jing, H., Huishen, D., Mini Hydropower, John Wiley and Sons, 1997. 15. Kahveci, N., Erdallı, Y., Dinçer, İ., Güneş Enerjili Kurutma Sistemleri ve Kullanım olanakları, TÜBİTAK-MAM, 1992. 16. Kaupp, A., Goss, J.R., Small Scale Gas Producer Engine Systems, Vieweg, and Sons, 1984. 17. Kılıç, A., Öztürk, A., Güneş Enerjisi, Kipaş Dağıtımcılık, 1983. 18. Kleemann, M., Melib, M., Regenerative Energiequellen, Springer Verlag, 1993. 19. Kreith, F., West, R.E., CRC Handbooks of Energy Efficiency, CRC Press, 1997. 20. Külünk, H., Eyice, S., Yeni Enerji Kaynakları, Potosan Ofset Matbaacılık, 1983.. 21. Marko, A., Braun, P.O., Thermal Use Of Solar Energy In Buildings,1994. 22. Muche, H., Zimmermann, H., The Purification of Biogas, Vieweg, 1985. 23. Mujumdar, A.S., Handbook of Industrial Drying, Marcal Dekker, Inc, 1995 24. Olgun, H., Banki (Cross-Flow) Türbini Tasarım Parametrelerinin İncelenmesi, K.T.Ü. Doktora Tezi, 1990. 25. Pasin, S., Altınbilek, D.,”Türkiye Hidroelektrik Enerji Potansiyeli Ve Gelişme Durumu”, Türkiye 7.Enerji Kongresi Bildiriler Kitabı Cilt 3, Ankara ,1997. 26. Red, T.B., Das, A., Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems, The Biomass Energy Foundation Press, 1996. 27. Renewable Energy Annual 1997, Volume I, 1997, http://www.eia.doe.gov 28. Rinehart J.S.,Gysers and Geothermal Energy”, 1980. 29. Status Report, Energy From Biogas, Vieweg, 1986. 30. Tırıs, M., Tırıs, Ç., Erdallı, Y., Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri, TÜBİTAKMAM, 1997. 31. Twidell, J.W., Weir, A.D., Renewable Energy Resources, E.&F.N. Spon, 1990. 32. Uyarel, A.Y., Öz, E.S., Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Emel Matbaacılık, 1987. 33. TÜBİTAK-TTGV Bilim Teknoloji Sanayi Tartışmaları Platformu, Enerji Teknolojileri Politikası Çalışma Grubu Raporu, 1998. 34. Yücel, F.B., Enerji Ekonomisi, Febel Ltd, Şti, 1994. 35. Wakil, M.M., Powerplant Technology, McGraw Hill, 1984. 621 36. Weider, S., An Introduction to Solar Energy for Scientists and Engineers, John Wiley and Sons, 1982. 622