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 :
ƒ Düşük sıcaklıklı jeotermal kaynakların kullanılmasına daha elverişli olmaları
ƒ Türbin boyutunun küçüklüğü ve daha ucuz olması
ƒ Yüksek basınçta çalışma
ƒ Hava sızması gibi problemlerin yaşanmaması
ƒ Çalışma sıvısının korozif olmaması
ƒ Isantropik türbin verimlerinin daha yüksek olması
ƒ Türbin genleşmesinin tamamen kuru bölgede gerçekleşmesi, böylece toplam
türbin ömrünün uzatılması
ƒ Daha düşük kondenser basıncı, daha yüksek sistem verimleri
Dezavantajları :
97
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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.
ƒ 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.
ƒ 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.
ƒ 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.
ƒ Simav’da 3500 konut, toplam 730 yataklı termal kompleks ve 80.000 m2 alana sahip
bir seranın toplam kapasitesi 66 MW’dır.
ƒ 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
ƒ Kayıs-kasnak sistemi
ƒ 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;
ƒ Akış devir sayısı ile orantılıdır,
ƒ Basınç devir sayısının karesi ile değişir,
234
ƒ
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;
ƒ Gerek duyulan akışkan debisi
ƒ Çalışma esnasında fan tarafından yenilmesi gereken basınç düşümü,
ƒ Akışkanın yoğunluğu
235
olunması
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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;
ƒ Frekans konvertörlü tahrik sistemleri ve
ƒ 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$/Adet
12000
8500
8500
6500
54
19
35.6
13.2
104265
7299
16000
59
20
241
39.2
80.4
636879
44582
Bir diğer uygulamalı örnek olarak, bir fan motorunun (45 kW nominal güçte) işletme
şartlarında çektiği gücün, debi ile değişimi (debideki değişim çıkış klepesi veya FC ile
sağlanmıştır) ile ilgili sonuçlar Tablo 3’de verilmiştir.
Tablo 3. Frekans konvertörlerinin geri ödeme süreleri (GÖS)
Klepe açıklığı,%
Frekans Kontrollu
40
50
60
Debi, m3/h
24000
30000
36000
24000
30000
36000
Güç, kW
39,5
33,7
36,5
6,0
7,7
11,5
14.5. Fanlarda Enerji Tasarrufunun Ekonomik Analizi
Fanlara frekans konvertörü takılarak yapılacak enerji tasarrufunun ekonomikliğinin
incelenmesi için:
ƒ İlk adım olarak sistemin yük dağılımı belirlenmesi (Debinin çalışma süresi
içersindeki yüzde dağılımı gibi.),
ƒ Debideki yüzde değişime bağlı olarak güçteki değişimin mukayeseli olarak
belirlenmesi (Şekil 7)
ƒ Ağırlıklı güç dağılımının belirlenmesi,
ƒ Tam hızdaki (veya mevcut şartlardaki) güç değerinin tespiti,
ƒ Ağırlıklı güç tasarrufunun tespiti,
ƒ Yıllık çalışma süresine göre tasarruf edilecek enerjinin parasal değerinin
belirlenmesi
ƒ Frekans konvertörünün fiyatı ve işletme maliyeti tespit edilmelidir.
Kullanılan veriler (ilk yatırım tutarı, yıllık enerji tasarrufunun parasal değeri) Tablo
4'de verilmiştir. Bu tabloda herbir fan için "Geri Ödeme Süresi Yöntemi" ile elde
edilen değerlere göre, yatırımların çoğunun GÖS'leri bir yıldan az olmakla birlikte
bazılarının çok uzun olabilmektedir. Dolayısı ile frekans konvertörünü fan sistemine
takılmasına karar vermeden önce bu hesaplamaların yapılması gerekmektedir.
Ayrıca Net Bugünkü Değer (NBD) yöntemi için örnek bir hesaplama Tablo 5'de
verilmiştir. Bu hesaplamalarda yıllık faiz oranı US$'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 :
ƒ Düşük sıcaklıklı jeotermal kaynakların kullanılmasına daha elverişli olmaları
ƒ Türbin boyutunun küçüklüğü ve daha ucuz olması
ƒ Yüksek basınçta çalışma
ƒ Hava sızması gibi problemlerin yaşanmaması
ƒ Çalışma sıvısının korozif olmaması
ƒ Isantropik türbin verimlerinin daha yüksek olması
ƒ Türbin genleşmesinin tamamen kuru bölgede gerçekleşmesi, böylece toplam
türbin ömrünün uzatılması
ƒ Daha düşük kondenser basıncı, daha yüksek sistem verimleri
Dezavantajları :
ƒ İkincil sıvı maliyetlerinin yüksekliği
596
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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