makale yayım koşulları | abonelik | reklam | iletişim | arşiv | makale arama

MÜHENDİS ve MAKİNA   Aralık 2002 - Sayı 515 Yeni Ürünler Makale - Tel Erozyonda Kesme Parametrelerinin İlerleme Hızına Etkisi Makale - Tarımsal Ürünlerin Kurutulmasında Siklon Tipi Bir Kurutucunun Kullanılabilirliği Makale - Isıl Konfor Parametrelerinin Optimizasyonu Makale - Sanayide Enerji Tasarrufu Potansiyeli - II Yazı Dizini

makale

 

SANAYİDE ENERJİ TASARRUF POTANSİYELİ-II

 

Durmuş KAYA ^* , Cengiz GÜNGÖR  ^**

Bir önceki çalışmada sanayi tesislerinde tasarruf edilebilecek enerji miktarı ile bunun mali değerinin hesabı için gerekli prosedürlerden; yüksek verimli motor kullanılması, basınçlı hava sistemlerinde düşük basınçlı hava kullanılması, basınçlı hava sistemindeki kaçakların önlenmesi ve kompresör emiş havasının dış ortamdan alınması durumlarında  elde edilebilecek tasarruf imkanları araştırılmıştı. Çalışmanın bu bölümünde ele alınan başlıca tasarruf imkanları ise: (1) yakma havasının ısıtılması, (2) kirlenmiş akışkandan ısı geri kazanımı, (3) sıcak ve soğuk yüzeylerin izolasyonu, (4) boşta çalışma süresinin azaltılması, (5) standart V-kayışları yüksek verimli olanlar ile değiştirilmesidir. Her bir tasarruf potansiyeli için; Türkiye’nin değişik illerinde ve ABD’nin Arizona ve Nevada eyaletlerindeki  farklı sanayi tesislerinde gerçekleştirilmiş enerji tasarrufu çalışmalarından örnekler verilmiştir. Bu örneklerde tasarruf miktarı, tasarrufun mali karşılığı, yatırım tutarı ve geri ödeme süreleri hesaplanmıştır.

Anahtar sözcükler : Enerji tasarrufu; enerji etüdü; yakma havasının ısıtılması,  izolasyon, yüksek verimli kayış, boşta çalışma, ısı geri  kazanımı.

The energy saving methods that we investigated in the previous study were: installing high efficiency motors, repairing air leaks, using low pressure air for the compressed air systems and providing the compressor inlet air from outside. These methods are used to evaluate the energy amount that can be saved in the industrial plants and its financial value. In this study, the energy saving methods that we investigate are: (1) preheating the combustion air, (2) recovering the heat from the waste fluid, (3) insulating hot and cold surfaces, (4) reducing the unload time, (5) changing the standard V-type belts with high efficiency belts. For each method, examples are given from different cities of Turkey and from Arizona and Nevada in USA. In these examples, the amount of the saved energy, financial evaluation of this energy, investment cost and pay back period are calculated.

 

Keywords: Energy saving; energy audit; preheating the combustion air, insulation, high efficiency belt, unload work, recovery the heat

*     Dr. TÜBİTAK - MAM Enerji Sistemleri ve Çevre Arş. Ens.

**    Mak. Yük. Müh., MAM Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü

 

GİRİŞ

Türkiye, kalkınmakta olan ve nüfusu artan bir ülke olması nedeniyle enerji tüketimi hızla artmaktadır. Üretilen enerjinin ise yaklaşık üçte biri sanayide tüketilmektedir. Bu enerjinin önemli bir miktarı pratik bazı enerji tasarruf önlemleriyle geri kazanılabilir. Enerji tasarrufu sayesinde hem ülkemiz enerji darboğazından kurtulacak, hem de sanayici aynı ürünü daha düşük bir maliyetle elde ederek rekabet gücünü arttırmış olacaktır. Enerji tasarrufu, enerji arz hizmetlerinin azaltılması veya kısıtlanması şeklinde de düşünülmemelidir. Enerji tasarrufu, kullanılan enerji miktarının değil ürün başına tüketilen enerjinin azaltılmasıdır. Enerjinin gereksiz kullanım sahalarını belirlemek ve israfı asgari düzeye indirmek veya tamamen ortadan kaldırmak için alınan önlemleri içerir. Bu şekilde, üretici aynı miktardaki mal veya hizmetleri daha az enerji veya aynı miktar enerji ile daha çok mal ve hizmet üreterek, ulusal ve uluslararası alanda rekabet gücünü arttırabilir.
Bu çalışmalardaki hesaplamalarda da görüleceği üzere; Türkiye’deki sanayici kullandığı elektriğe kW başına yaklaşık 7 cent USD ödemektedir. Oysa başta A.B.D ve Brezilya olmak üzere birçok ülkede bu değer ortalama 4 cent USD civarındadır. Enerji fiyatlarındaki yüksek girdi sanayicimizin rekabet gücünü olumsuz etkilemektedir. Bu  durum sanayicinin enerjiyi olabildiğince verimli kullanmasını gerektirmektedir.
Bu çalışmanın amacı bilinmeyen bir şeyi ortaya koymak değil, literatürde var olan ancak iş yoğunluğu, önemsememe, eğitimsizlik veya bilinçsizlik gibi nedenlerle kaybolan milyarlarca dolarlık tasarruf potansiyelini nerelerde aramamız gerektiğini vurgulamaktır. Çalışmada sanayi tesislerinde tasarruf edilecek enerji ve bunun mali değerinin hesabı için gerekli prosedürler açıklanmıştır. Her bir tasarruf potansiyeli için gerçekleştirilmiş enerji tasarrufu çalışmalarından örnekler verilmiş, bu örneklerde tasarruf miktarı, tasarrufun mali karşılığı, yatırım tutarı ve geri ödeme süreleri hesaplanmıştır.

POTANSİYEL ENERJİ TASARRUF ALANLARI

Yakma Havasının Isıtılması

Tesislerde atık ısıların değerlendirilebileceği önemli bir alan da, tesiste bulunan kazan veya fırınlarda kullanılan yakma havasını ısıtılarak kullanılmasıdır. Yanma havasının her 28°C sıcaklık artışında yanma verimi de yaklaşık olarak 1% oranında artmaktadır (Sanayide Enerji Yönetimi,1997). Yapılan bir çalışmada, bir tesiste  atmosfere atılan üretim fazlası 14911 kg/saat debideki buharın (350 kPa basınç ve 428.16 K sıcaklığında), tesisteki fırınların yanma havasının ön ısıtılmasında kullanılması durumunda yıllık 1.093.570 $ enerji tasarrufu sağlanacağı hesap edilmiştir. Bu yatırımın geri ödeme süresi ise sadece bir ay olarak hesaplanmıştır (Kaya D, 1996, Saraç H.İ. ve diğerleri 1997). 

Kazan yakma havasının ön ısıtılması sonucunda sağlanacak enerji tasarrufu miktarları aşağıda eşitlikler kullanılarak hesap edilebilir:

Yıllık Yakıt Tasarrufu = Yıllık Yakıt Tüketimi ´ [1 - (h_m ¸ h_h)]                                        (1)

Hedeflenen Kazan Verimi (h_h) =h_m + (VK ´ DT)                                                             (2)

Burada; h_m mevcut kazan verimi, h_h hedeflenen kazan verimi, VK verim artırma katsayısı, DT      mevcut ve hedeflenen hava sıcaklıkları farkı (°C)’dır.

Yıllık tasarrufun mali karşılığı:

Yıllık Tasarruf Mali Bedeli = Yıllık Yakıt Tasarrufu ´ Birim Yakıt Bedeli                        (3)
Örnek: Bir fabrikada kullanılan iki adet kazanın baca gazlarının çıkış sıcaklığı 245-250 °C’dir. Bu kazanlarda yakıt olarak fuel oil 6 kullanılmakta olup, birim fiyatı 0.19 $/kg, yıllık kullanılan yakıt miktarı ise 2.169.715 kg’dır. Kazanların yanma verimi yapılan gaz analizleri ile %86 bulunmuştur.Bu kazanlarda kullanılan yanma havasının baca gazıyla ısıtılması durumunda yapılacak  enerji ve mali tasarruflar, yatırım miktarı ve yatırımın geri ödeme süresi nedir?

Çözüm: Baca gazları ile ısıtılmış sıcak hava brülör hava girişine bir hava kanalı ile taşınabilir. Baca çıkış gazını yakma havasının ısıtılmasındasın da kullanılması durumunda, yanma havası sıcaklığı rahatlıkla 55-60°C kadar yükseltilebilir. Örneğin verimde %2'lik bir artışın sağlanması için kazan yakma havası sıcaklığının 56°C yükseltildiği kabulünden hesapları yapalım. Basit bir hava kanalı yardımı ile baca cidarında ısınmış olan sıcak havanın brülör hava girişine verilmesi ile yakma havası sıcaklığı 56°C yükseltilecektir.

Kazanların yanma verimi, cidar ve blöf kayıpları için %3-4 ilave kayıp olacağı düşünülerek her iki kazanın için ortalama verimi %82 alınabilir. Hedeflenen kazan verimi 2 nolu eşitlikten:

Hedeflenen Kazan Verimi     = %82+ ((1 ¸ 28°C) ´56 °C)
                                              = %84

Yıllık yakıt tasarrufu ve bunun mali karşılığı ise 1 ve 3 nolu eşitliği kullanarak aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

Yıllık Yakıt Tasarrufu  =   2.169.715 kg/yıl ´ [1 - (0.82 ¸ 0.84)]
                                    =   51.660 kg/yıl (490,8 Gcal/yıl)

Yıllık Mali Tasarruf     =   Yıllık Yakıt Tasarrufu ´ Birim Yakıt Bedeli
                                    =   51.660 kg/yıl  ´ 0.19 $/kg
                                     =   9.920 $/yıl

Gerçekleştirme Maliyeti
Kazanların baca boruları etrafına yapılacak hava kanalı ile bu kanaldan brülör emişine kadar döşenecek hava kanalı ve işçilik için tahmini değerler Tablo 1’de verilmiştir.

Tablo 1.  Yapılacak Yatırım Miktarı

Miktar	Birim	Açıklama	Birim Maliyet	Toplam Maliyet
10	m	Æ200 mm hava kanalı	20	200
3	m	Æ 500 mm hava kanalı	20	60
4	saat	İşçilik	40	160
TOPLAM				$420
TOPLAM MALİYET (2 KAZAN İÇİN)				$840

Geri Ödeme Süresi
Geri ödeme süresi; gerçekleştirme maliyetinin hesaplanan yıllık tasarruf miktarına bölünmesi ile bulunabilir.

Geri Ödeme Süresi              =  Gerçekleştirme Maliyeti ¸ Yıllık Tasarruf Miktarı           (4)
                                             =  840$ ¸ 9.920 $/yıl
                                              =  0.08 yıl                        (1 ay)

Kirlenmiş Akışkandan Isı Geri Kazanımı

Kirlenmiş akışkandan ısı enerjisi tasarruf potansiyelinin en yoğun olduğu sektör tekstil sektörüdür. Bu sektöründe, en fazla enerji yoğun kısım ıslak prosesleme kısmıdır. Islak proses, boyama, ağartma, kimyasal muamele, ve yıkama işlemlerini içerir. 70 ^oC deki bir akışkandan ısı geri kazanımı enerji tasarrufunda bilinen metottur. Sudan suya ısı eşanjörleri, sıcaklıkları 40 ^oC   ile 100 ^oC arasında bulunan sıcak akışkanlardan ısı geri kazanılmasında etkilidirler. Sudan suya ısı geri kazanım sistemlerinin pek çoğu gelen soğuk suyun ön ısıtılması için geri kazanılmış ısıyı kullanılır. İhtiyaç duyulan proses sıcaklığı ilave buhar veya gaz ısıtması ile sağlanır. Böylece sağlanan enerji tasarrufu direkt olarak buhar veya gaz tüketimindeki azalmaya karşılık gelir. Sistemin ilk yatırım maliyeti yüksek olduğu halde sistemin avantajları daha fazla ve mali risk minimumdur (Sanayide Enerji Yönetimi,1997).                                

Böyle bir sistemin tesisine ilişkin bağıntılar:

Atık Su Debisi             =   Kullanılan Su Miktarı ¸ Toplam Süre                                             (5)

Geri Kazanılan Atık Isı =  Atık Su Debisi ´ (Çıkış Sıcaklığı- Giriş Sıcaklığı)                           (6)

Geri Kazanılan Yakıt Miktarı=Geri Kazanılan Isı  ¸ Fuel Oil Özgül Isısı ¸ Kazan Verimi

                                           ´ Yıllık Çalışma Saati ´ Kullanma Katsayısı                                (7)

Tasarruf Edilen Yakıt Bedeli=Geri Kazanılan Yakıt Miktarı ´ Yakıt Birim Fiyatı                 (8)

Örnek: Bir tekstil fabrikasında yapılan enerji etüdü çalışmalarında, boyahanelerde bulunan overflow makinaları yaklaşık 20°C’deki şebeke suyunu, bünyelerinde bulunan buhar eşanjörleri ile ısıtarak kullandığı tespit edilmiştir. Kullanma sıcaklığı reçeteye göre 95°C ile 20°C arasında değişmekte ve makine içindeki su 10-12 defa dışarıdan temiz su alınarak yenilenmektedir. Atılan sular bir kanal yardımı ile atık su deposunda toplanmakta ve arıtma tesisine gönderilmektedir. Bu suların proseste tekrar kullanılması ekonomik olmadığından, içerdikleri büyük miktarda ısı ile beraber atılmaktadır. Boyahanede bulunan overflow makinalarına ait bilgiler ve maliyet hesapları için gerekli bütün  değerler yetkililerden alınmış ve Tablo 2’de verilmiştir. Atık ısının kazanılması  durumunda yapılacak  enerji ve mali tasarruflar, yatırım miktarı ve yatırımın geri ödeme süresi nedir?

Tablo 2.  Hesap Parametreleri

* Kapasite Kullanma Oranı: Overflow makinalarında yıkama yapılan sürenin, yıllık fabrika çalışma süresine oranı

Çözüm:
Yapılacak yatırım ile atılan ısının büyük kısmı bir eşanjör vasıtasıyla geri kazanılarak overflow makinalarına giren su ısıtılabilir. Böylece makinaların buhar sarfiyatı azaltıldığı gibi overflow makinalarının üretim kapasiteside (yeni suyu ısıtmak için geçen süre düşeceğinden) artırılmış olacaktır.
Bu değerleri kullanarak geri kazanılacak ısı miktarı hesaplanabilir. Tablo 3’de verilen örnek bir overflow reçetesi hesaplamalarda baz alınmıştır. Overflow makinalarından her su değişiminde atılan su miktarının eşit olduğu kabul edilerek, hesaplarda ortalama atık su sıcaklığı olarak 70°C alınmıştır.  

Tablo 3.  Örnek Overflow Reçetesi

Sıra	İşlem	Sıcaklık (°C)	Süre (dakika)	Sıcak Su  (°C)
1	Kasar Suyu	95	60	95
2	Taşarlı Durulama	20	5
3	Sıcak Yıkama	90	10	90
4	Nötr	50	20	50
5	Boya Suyu	60	120	60
6	Taşarlı Durulama	20	5
7	Nötr	50	20	50
8	Sabunlu Yıkama	95	10	95
9	Sıcak Yıkama	90	10	90
10	Sıcak Yıkama	80	10	80
11	Taşarlı Durulama	20	5
12	Apre	50	20	50
Yükleme Boşaltma ve Bekleme Süresi			360
Toplam Süre			655
Ortalama Sıcaklık				73
Su Değiştirme Adedi				9

Bir ürünün makinada işlem gördüğü toplam süre 655 dakika olduğu kabul edilerek  atık su debisi hesaplanabilir (günlük 2,2 adet şarj yapıldığı varsayılmıştır).
Kullanılan Su Miktarı   =   Toplam Overflow Makine Kapasitesi  ´ Su Kullanma Oranı´ Su Değiştirme Adedi             (9)
                                     =   4.175 kg-ürün ´ 10 kg-su/kg-ürün ´ 9 adet
                                    =   375.750 kg

Atık su debisi ise 5 nolu denklemden:
Atık Su Debisi             =   375.750 kg ¸ 655 dakika ´ 60 dakika/saat
                                    =   34.420 kg/saat

Eşanjör hesabı için oluşturulan parametreler Tablo 4’de verilmiştir.

Tablo 4. Eşanjör Parametreleri

	Sıcak Akışkan	Soğuk Akışkan
Akışkan	Atık Su	Su
Debi, kg/h	34.420	34.420
Giriş Sıcaklığı, °C	70	20
Çıkış Sıcaklığı, °C	39	50
Sıcaklık Farkı, °C	31	30
Isı Miktarı, kcal/h	1.067.015*	1.032.595

*Eşanjör etkinliği %97 alınmıştır.

Geri Kazanılan Atık Isı 6 nolu denklemden:  Geri Kazanılan Atık Isı =   34.420 kg/h ´ (50°C – 20°C)
                                                                                                            =   1.032.595 kcal/h

Geri kazanılan ısının yıllık karşılığı, overflow makinalarının çalışma kapasitelerine bağlıdır. Geri kazanım eşanjörü sayesinde ısıtma süreleri azalacağından makinaların günlük şarj miktarı da artacaktır. Şekil 1’de çeşitli eşanjör kapasiteleri (ve bunu sağlayacak günlük şarj adedi) için tasarruf miktarları verilmiştir. Hedeflenen üretim ve buna bağlı olarak şarj adedi için gerekli eşanjör kapasitesi bu tablodan seçilebilir. Yine tablodan karşılık gelen yıllık tasarruf miktarı bulunarak geri ödeme süresi hesaplanabilir. Aşağıdaki örnek hesaplar %90 kapasite kullanımı için yapılmıştır.

Geri Kazanılan Yakıt Miktarı 7 nolu denklemden :    
Geri Kazanılan Yakıt Miktarı=1.032.595 kcal/h ¸ 9.500 kcal/kg ¸ 0,82 ´ 7200 ´ 0,9
                                               =858.950 kg/yıl (859 ton/yıl)

Tasarruf edilen yakıt bedeli 8 nolu denklemden:
Tasarruf Edilen Yakıt Bedeli = 858.950 kg/yıl ´ 0.19 $/kg
                                               =165.463 $/yıl

Gerçekleştirme Maliyeti
Mevcut atık su kanalına sıcak su ile beraber, soğuk sular da akmaktadır. Bu nedenle overflow makinalarında tadilata ihtiyaç vardır. Soğuk su tahliyesi için ayrı bir kanal yapılmalı ve sıcak su kanalı izole edilmelidir. Yapılan piyasa araştırmasında toplam yatırım miktarı; eşanjör, pompalar, tesisat ve işçilik dahil olmak üzere yaklaşık 70,000 $ olarak bulunmuştur.

Şekil 1. Geri Kazanım Kapasitesine Bağlı Olarak Tasarruf Bedeli ve Günlük Şarj Sayısı

Geri Ödeme Süresi
Geri ödeme süresi; gerçekleştirme maliyetinin hesaplanan yıllık tasarruf miktarına bölünmesi ile bulunabilir (4 nolu eşitlik).
Geri Ödeme Süresi      =   $70,000 ¸ 165,463 $/yıl
                                     =   0.42 yıl                                      (5 ay)

Sıcak ve Soğuk Yüzeylerin Yalıtımı

Isı yalıtımı; sıcak ve soğuk boru hatlarına, ısı kaybı yada ısı kazancı olan tesislere ve binalara uygulanabilen, çok fazla yatırım maliyeti getirmemekle birlikte, oldukça önemli miktarda enerji tasarrufu sağlayabilen ve sağladığı tasarruflarla kendisini kısa sayılabilen sürelerde geri ödeyebilen, enerji tasarrufu yöntemlerinden birisidir. Yalıtım ile temin edilecek tasarruf miktarının belirlenmesi için mevcut durumdaki ve yalıtım sonrası sıcak yüzeylerden olan ısı kayıplarının hesaplanması gereklidir. Daha sonra yıllık enerji tasarrufu aşağıdaki formülden hesaplanabilir:
Tasarruf Edilecek Enerji   =   [(Q_m - Q_y) ´ YÇS  ´ 3600] ¸ h                                         (10)
Burada; Q_m mevcut durumda yalıtımsız yüzeylerden ısı kaybı (W),  Q_y yalıtımlı yüzeylerden ısı kaybı (W), YÇS yıllık çalışma saati (saat/yıl), h kazan verimi.
Yalıtımsız ve yalıtılmış buhar borularından olacak ısı kaybı ise aşağıdaki formüllerden hesaplanabilir (Sanayide Enerji Yönetimi,1997):

Q_m=( h_c + h_r ) ´ p ´ d₁ ´ (T_s – T_a)                                                                                 (11)
Q_y=p ´ d₁ ´ (T_s – T_a) ¸ [ln (d₂ / d₁) / (2 ´ k) +1 / (h_so ´ d₂)]                                          (12)

Burada; T_s boru yüzey sıcaklığı (°C), T_a ortam sıcaklığı,  d₁ boru dış çapı (m), h_c  ısı taşınım katsayısı (W/m²°C), d₂ yalıtım sonrası dış çap (m) ise, e  emissivite, h_r radyasyonla ısı transfer katsayısı (W/m²°C), h_so yalıtım sonrası yüzeye ait ısı taşınım katsayısı.

d₂= d₁ + 2 ´ t_yalıtım
h_c = 5,67 ´ 10^-8 ´ e ´ (T_s² – T_a²) ´ (T_s + T_a)
h_r = 1,32 ´ [( T_s – T_a) ¸ d₁]^0,25

Örnek: Proses için gerekli ısı enerjisinin büyük bölümü buhardan karşılayan bir fabrikada yapılan enerji tasarrufu çalışmaları sırasında, buhar kazanında üretilen 6 bar basıncındaki buharın taşınması kullanılan boru hatları, vanalar, kondens tankı ve kollektörlerin  yalıtımsız olduğu tespit edilmiştir. Bu tesiste, hesaplamalarda kullanılabilecek parametreler temin edilerek Tablo 5’da verilmiştir. Tesisteki boru hatları ve vanaların izole edilmesiyle yapılacak  enerji ve mali tasarruflar, yatırım miktarı ve yatırımın geri ödeme süresi nedir?

Tablo 5.  Hesaplarda Kullanılan Değerler

* Kaya veya cam yünü

Çözüm :
Tesiste yapılan incelemede tespit edilen, yalıtım yapılması gerekli boru ve ekipmanların bir özeti ile bunlardan oluşan enerji kaybı 10, 11 ve 12 nolu eşitlikler kullanılarak hesaplanmış ve Tablo 6. de verilmiştir.

Tablo 6. Yalıtımın Sağlayacağı Tasarrufu

Açıklama	Miktar	Çap (mm)	Boy (m)	Yüzey Sıcaklığı (°C)	Qm (W)	Qy (W)	Tasarruf (W)
Kondens Tankı	1	1,500	5	80	14.515	1.700	12.815
Kolektör	2	200	1.5	150	4.007	334	3.672