Enerji Analizi Dersi 5. Ünite Özet

Sanayide Enerji Analizi Uygulamaları

Özet
Sorularla Öğrenelim

Giriş

Sanayide enerji tasarrufu çalışmaları yapılırken öncelikli olarak enerji tasarrufu yapılabilecek noktaların belirlenmesi gerekmektedir. Sanayide gerçekleştirilen enerji kullanımı, fiyatlardaki artışı ve maliyetleri doğrudan etkilemektedir. Özellikle enerji yoğun bir şekilde faaliyetlerini gerçekleştiren sektörler açısından bakıldığında enerji kullanımında sağlanacak tasarruflar ve enerji teknolojilerinin daha etkin kullanılması büyük ekonomik kazanımları beraberinde getirmektedir.

Sanayide enerji tasarrufu yapılabilmesi için enerji analizinin yapılması gerekmektedir. Bunun için giren ve çıkan enerjilerin tespit edilip bunlar arasında denkliklerin kurulmalı, ve her bir aşamada termodinamiğin birinci yasasını uygulanmalıdır.

Enerji analizinin amacı ve buna yönelik değerlendirmeler kısaca şöyle özetlenebilir:

Enerji analizine başlarken sisteme enerji giriş ve çıkış noktaları tespit edilir.
Enerji giriş ve çıkış noktaları tespit edildikten sonra ne kadar bir enerji girişi ve çıkışı olduğu belirlenmelidir.
İşletmenin verimli çalışıp çalışmadığı giren ve çıkan enerjilerin hesaplanması ve sürekli izlenmesi ile sağlanabilmektedir.
Minimum enerji kullanımı ile maksimum üretim sağlanmalıdır.
İşletmelerde enerji analizinin yapılması çeşitli noktalarda yenilenme veya iyileştirme yapılmasının gerekliliğini ortaya koyar.
İşletmeler enerji analizlerini belli aralıklarla işletme dışından enerji konusunda uzman, profesyonel danışmanlık kuruluşuna yaptırması önerilmektedir.

Enerji Akış Diyagramları (Sankey Diyagramları)

Enerji analizi çalışmasından önce, çalışması yapılan sistemin kontrol hacmi ile birlikte şematik olarak gösterilmesi faydalıdır. Giriş ve çıkış noktalarında enerji akışlarının oluştuğu, belirli sınırlar tarafından çevrelenmiş bir sistem kontrol hacmi olarak adlandırılmaktadır. Enerji analizi, belirlenen kontrol hacmine giren ve çıkan enerji miktarlarından yararlanılarak hesaplanır. Bu hesaplamaların yapılabilmesi için çeşitli ölçüm değerlerine ihtiyaç vardır. Bunlar giriş ve çıkış noktaları için;

Sıcaklık,
Basınç,
Yoğunluk ve
Debi gibi değerlerdir

Debi ; birim zamanda belli bir kesitten geçen akışkan miktarı olarak tanımlanır. Enerji analizi çalışmaları ile birlikte, enerji ve kütle denkliklerinin oluşturulması gerekmektedir.

Enerji giriş ve çıkışlarının şematik olarak gösterildiği diyagramlar Sankey Diyagramları olarak adlandırılmaktadır

Sanayide kullanılan buhar kazanı için yapılmış örnek bir Sankey diyagramında (S:101, Şekil 5.1) % 48 olarak belirtilen üretimde kullanılan buhar bir bakıma sistemin verimliliğini de göstermektedir. Diğer noktalardan azalan her bir kayıp kullanılan buhar miktarının artışını sağlayacaktır.

Çimento sanayi, yoğun enerji tüketen sektörlerin başında yer almakta olup, enerji analizi çalışmalarının bu sektördeki önemi büyüktür. Çimento üretim süreci kısaca şöyle anlatılabilir;

Kil, kalker ve diğer hammadde kırılarak hammadde silolarına gönderilir.
Belli oranlarda karıştırılan hammadde farin değirmeninde öğütülür.
Farin, buradan ön ısıtıcı üniteye gönderilerek hammaddenin ön kalsinasyonu sağlanır. Kalker, kil ve demir cevheri belli oranlarda karıştırılarak hammadde değirmenlerinde öğütülür. Öğütülmüş bu hammaddeye farin adı verilir. Bir maddenin nemini ve karbondioksit gibi uçucu maddelerini uzaklaştırmak için o maddeyi erime noktasının altında ısıtma işlemine de kalsinasyon denilir.
Ön kalsinasyon ünitesinden çıkan hammadde, pişirilmek üzere döner fırına gönderilir.
Döner fırından çıkan klinker, soğutma ünitesine gönderilir.
Soğutmadan çıkan klinker, belli oranlarda alçı taşı ve diğer katkılar eklenerek karıştırılır ve öğütülmek üzere çimento değirmenine yollanır.
Çimento değirmeninden çıkan ürün, pazarlanmak üzere paketlenir.

Bir çimento fabrikası için örnek olarak yapılmış Sankey diyagramındaki (S:102, Şekil 5.2) bu tesiste yapılabilecek pek çok enerji tasarrufu önlemi mevcuttur. Bu sebepten dolayı enerji analizinin yapılması gerekmektedir.

Enerji Analizi Yöntemi ve Bazı Üniteler İçin Enerji Analizi Örnekleri

Enerji analizi yapılırken öncelikle kütle korunumu yasası kullanılarak sistem için kütle dengesi yazılır. Sonra sisteme aşağıda verilen termodinamiğin birinci yasası , diğer bir deyişle enerjinin korunumu yasası uygulanır.

Yukarıdaki enerji korunumun denklemleri incelenen sistemin her bir bileşenine uygulanırken enerji çözümlemesinde belli kabuller esas alınmaktadır. Genel olarak karşılaşılan başlıca kabuller şunlardır:

Adyabatik Sistem Kabulü : İncelenen sistemin yüzeyinden ısı alışverişi olmadığı kabul edilmektedir.
Sürekli Akışlı Sürekli Açık Sistem (SASA) Kabulü : Kontrol hacmi içerisinde toplam kütlenin zamanla değişiminin sıfır olmasıdır. Diğer bir deyişle kütle birikmesinin olmadığı kabulüdür

Sisteme giren ve sistemden çıkan bir akışkan sıcaklık, basınç ve debi özelliklerine bağlı olarak bünyesinde;

Entalpi,
Kinetik enerji ve
Potansiyel enerji bulundurmaktadır

Sistem için yapılan kabuller göz önüne alınarak ihmal edilen kısımlar elimine edilir.

Sistem üzerinde yapılan iş veya sistemin yaptığı iş, sistemden çevreye geçen ısı veya sisteme verilen herhangi bir ısı var ise bunlar da enerji korunumu eşitliğinde yerine yazılıp enerji analizi işlemi sonlandırılır.

Bir gaz türbini tesisi;

Kompresör,
Yanma odası ve
Türbinden oluşur.

Bir gaz türbininin her elemanı için yapılan enerji analizi çalışmalarında kullanılan enerjinin korunumu ifadeleri önemlidir (S:114, Çizelge 5.2).

Kompresöre alınan hava sıkıştırılarak basıncı ve sıcaklığı artmış şekilde yanma odasına yollanır. Kompresörde havanın sıkıştırılması için kompresöre dışarıdan $\dot{W_{komp}}$ komp işi verilmelidir. Yanma odasına giren hava, yakıtla karışarak yanma işlemine uğramakta ve yanma odasına $\dot{Q_}}$ _yakıt yakıt enerjisi verilmektedir.

Yanma odasından çıkan yüksek basınç ve sıcaklıklarda türbine giren gazın enerjisi ile $\dot{W}$ türbin işi yapmaktadır. Türbinin dönmesiyle elde edilen $\dot{W}$ türbin işinin bir kısmı, kompresörü¨ döndürmek için gerekli olan $\dot{W}$ komp için harcanacaktır. Kalan iş ise türbin işi ile kompresör işinin arasındaki fark kadar olup net iş olarak tanımlanmakta ve $\dot{W}$ net olarak gösterilmektedir.

Lüle için yapılan enerji analizi sonucunda lüleden çevreye geçen ısı, akışkanın lüle giriş ve çıkış arasındaki entalpi ile akışkan hızların karesinin farkına bağlı olduğu söylenebilir.

Vana için enerji analizi yapıldığında, akışkanın giriş ve çıkıştaki entalpi değerinin eşit olduğu sonucuna ulaşılır.

Pompa için enerji analizi yapıldığında, pompaya verilen işin, sisteme giren ve sistemden çıkan akışkanın entalpi farkına bağlı olduğu sonucuna ulaşılır.

Yoğuşturucu için yapılan enerji analizi sonucuna göre, yoğuşturucudan çevreye verilen ısı miktarı yoğuşturucuya giren ve yoğuşturucudan çıkan akışkanın entalpi farkına bağlı olmaktadır.

Seramik Tesislerinde Eşanjör ve Kurutucular İçin Enerji Analizi

Bu kısımda eşanjör sistemi ve egzoz fanı için enerji ve kütle korunum denklemleri verilecektir. Diğer sistem bileşenleri olan kurutucu, brülör ve egzoz fanı için benzer korunum denklemleri kitabın ilgili kısmında verilmiştir.

Sistem bir bütün olarak düşünülmeli ve bir bileşen için yapılan enerji analizi sistemin tüm bileşenlerine uygulanmalıdır.

Eşanjör , herhangi bir temas olmaksızın aralarında sıcaklık farkı olan sıvı veya gaz iki akışkanın birbirine karışmaksızın birinden diğerine ısı transferini sağlayan ünitedir.

Eşanjör atık ısıdan yararlanmak üzere sanayide yaygın kullanılan ünitelerden birisidir. Bir gaz türbininden çıkan sıcak gaz soğuyup çıkarken diğer bir taraftan eşanjöre giren soğuk su da ısınmış olarak çıkmaktadır

Eşanjörde enerji analizi yapılırken aşağıdaki kabuller göz önüne alınmaktadır:

Eşanjör sürekli akışlı sürekli açık (SASA) sistemle çalışmaktadır.
Eşanjör adyabatiktir, yani eşanjörden çevreye geçen ısı transferi ihmal edilmektedir.

Eşanjörde enerji analizi yapmak için termodinamiğin birinci yasası, enerji korunumu ifadesi yazıldığında aşağıdaki eşitlikler elde edilir:

Seramik sanayide yaygın olarak kullanılan kurutucular, kurutucuya giren seramik çamurunu kurutma işleminde kullanılır. Kurutuculara giren sıcak gaz, seramik içerisindeki suyu buharlaştırarak buharla birlikte dışarı atılmaktadır. Kurutucular;

Brülör,
Kurutucu gövdesi ve
Egzoz fanı olmak üzere üç ayrı alt birimden oluşur.

Kurutucunun enerji analizini yapmadan önce kurutucunun etrafına bir kontrol hacmi çizilir. Bu kontrol hacmine giren ve çıkan enerjiler mevcuttur (S:124, Şekil 5.18).

Kurutucu için enerji analizi yapılırken her bir alt birimi bağımsız bir kontrol hacmi gibi ele alıp incelemek, enerji analizini kolaylaştıracaktır.

Kurutucu içerisine iki temel noktadan enerji girişi vardır (S:124, Şekil 5.18):

Birincisi gaz türbini çıkışından gelen sıcak gazın enerjisidir.
Bu enerjinin kurutma işlemi için yetersiz kalması durumunda brülör kullanılmaktadır.

Kurutucunun bir alt birimi olan brülör , kurutma işlemi için kurutucuya giren sıcak gazın enerjisi yetersiz kaldığı zaman devreye girerek kurutma için sıcak hava elde eder. Kurutucunun brülör kısmı için enerji giriş ve çıkış noktaları mevcuttur (S:125, Şekil 5.19).

Brülörde enerji analizi yapılırken aşağıdaki kabuller göz önüne alınmaktadır:

Brülör sürekli akışlı sürekli açık (SASA) sistemle çalışmaktadır.
Brülör adyabatiktir. Yani brülörden çevreye geçen ısı transferi ihmal edilmiştir.
Brülörde yanma verimi %100’dür. Yani sürtünmeden oluşan kayıplar ihmal edilmiştir

Kurutucu gövdesi , kurutma işleminin gerçekleştiği kurutucu birimidir. Kurutucu gövdesine giren ve çıkan enerjiler mevcuttur (S:126, Şekil 5.20).

Kurutucu gövdesi enerji analizi yapılırken aşağıdaki kabuller göz önüne alınmaktadır:

Brülör sürekli akışlı sürekli açık (SASA) sistemle çalışmaktadır.
Kurutucudan çevreye olan ısı transferi sabit kabul edilmektedir

Kurutucu gövdesinde enerji analizi yapmak için termodinamiğin birinci yasası, enerji korunumu ifadesi yazıldığında ilgili denklemler elde edilir (S:127, Denklem 5.57-5.58-5.59).

Egzoz fanı , kurutucu içerisinde buharlaşmış seramik çamuru nemini ve kurutma amacıyla kurutucuya verilen sıcak gazın son buhar halinin tahliyesini gerçekleştirir. Egzoz fanına giren ve çıkan enerjiler mevcuttur (S:127, Şekil 5.21).

Fanı çevirmek için fana verilen enerji $\dot{W}$ _fan ile gösterilmiştir. Egzoz fanından dışarıya atılan gaz ve buhar karışımı ile birlikte dışarıya atılan enerji ise $\dot{E}$ ₄ ile gösterilmiştir.

Egzoz fanı enerji analizi yapılırken aşağıdaki kabuller göz önüne alınmaktadır:

Egzoz fanı sürekli akışlı sürekli açık (SASA) sistemle çalışmaktadır.
Egzoz fanından çevreye olan ısı transferi ihmal edilmektedir.

Egzos fanı için kütle korunumu ve termodinamiğin birinci yasası olan enerjinin korunumu denklemleri yazılırsa (S:128, Denklem 5.61-5.62-5.63-5.64), pompa için yapılan enerji analizi ile karşılaştırılırsa benzer sonuçlara ulaşılacağı kolayca görülür.

Egzoz fanı için enerji analizi yapıldığında, fana verilen işin, sisteme giren ve çıkan akışkanın entalpi farkına bağlı olduğu sonucuna ulaşılır.

Çimento Tesislerinde Farin Değirmeni Ünitesi İçin Enerji Analizi

Farin Değirmeni İçin Enerji Analizi

Farin değirmeni, çimento fabrikalarında hammaddelerin öğütülmesi işlemini gerçekleştirir. Farin değirmeni için giren ve çıkan enerjiler (S:128, Şekil 5.22) kontrol hacminde verilmiştir.

Farin değirmeni için kütle korunumu ve termodinamiğin birinci yasası, enerji korunumu denklemleri yazılırsa (S:129, Denklem 5.65-5.66-5.67-5.68), eşanjör için yapılan enerji analizine benzer sonuçlar elde edileceği açıkça görülür.