FANLARDA ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN ARTIRILMASI

1. FANLARDA ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN ARTIRILMASI İbrahim ÇAKMANUS 14/05/2010 ICCI KONFERANSI-İSTANBUL

2. FANLAR 1. Giriş • Fanlar havayı bir yerden alarak bir başka yere ileten hidrolik makinalardır. Binalarda ve sanayide sıklıkla kullanılan cihazlardır. • Sanayide %20 civarındaki enerjiyi fanlar tüketir. • Fanların tasarımı, seçimi ve işletilmesinde enerji verimliliğine dikkat edilmelidir.

3. 2.Fan Performans Değerleri Fan debisi Santrifüj fanların sağlayabileceği debi giriş çapı, devir sayısı kanat giriş açısı, aksiyal fanlarda ise gövde çapı, göbek çapı ve devir sayısı gibi parametrelere bağlıdır. Fan basıncı Fan basıncı, ΔPt= [(1/2)xρxv2x[f(L/De)+] şeklindeki basınç kayıplarını karşılayabilmelidir.

4. Fan Hidrolik gücü (kW) V debide (m3/h) ve ∆Pt (Pa) basınçtaki bir fanın hidrolik (N, kW) gücü (fanın ürettiği hidrolik güç), Toplam verim

5. Elektrik motoru gücü (kW) Sahada debi, basınç, elektrik şebekesinden çekilen akım ve voltaj değerleri ölçülerek toplam verim ve yukarıdaki toplam verim eşitliğinden yararlanarak fan verimi hesaplanabilir.

6. 3.Fan Seçimi • Fanların tasarımında teorik (matematiksel) bir yöntem bulunmamaktadır. • Literatür, deneme yanılma, geçmiş tecrübeler ve kısıtlar dikkate alınarak testler ve bilgisayar modelleri ile tasarım yapılır. • Bu yaklaşımlarla rotor çapı, giriş çapı (aksiyal fanlarda göbek çapı), kanat sayısı, kanat açısı ve eğriliği, motor gücü, verim ve gürültü düzeyi vb. hesaplanır.

7. Bir fanın performansı, 1. Fanın tasarımı, 2. Çalışma noktası (debi ve basınç karakteristikleri), 3. Fanın boyutları, 4. Rotorun devir sayısı, 5. Fan içinden geçen gazın yoğunluğu, sıcaklığı, 6. Sistem dirençleri, gibi faktörlere bağlıdır.

8. 4. Fanın temel boyutları Bir fanı karakterize eden temel büyüklükler emiş ağzı çapı ile rotor dış çapıdır. a) Santrifüj fanlar: D1=10x(V/n) (1/3) D2= (18000/n)x(ΔP)(1/2) D1 giriş ağzı çapı (inch), V hava debisi (cfm), D2 rotor çapı (inch), ΔP statik basınç (inSS). n devir sayısıdır (d/d). b) Aksiyal fanlar: d= (19000/n)x(ΔP)(1/2) D=(d2+61(V/n)) (1/2) dgöbek çapı (inch), V hava debisi (cfm, 1 cfm=1,7 m3/h), n devir sayısıdır (d/d). D dış çap (inch), ΔP statik basınç (inSS).

9. 5. Fan Kanunları Fan karakteristik sayılarından hareketle aşağıdaki bağıntılar elde edilebilir. Bu bağıntılara fan kanunları adı verilir. Debi Basınç Güç Gürültü

10. 6. Fan Çeşitleri Fanlar değişik şekillerde sınıflandırılabilir. 1. Aksiyal fanlar, 2. Santrifüj fanlar, 3. Aksiyal-santrifüj fanlar, 4. Çatı tipi fanlar, 5. Turbo blowerlar.

11. Santrifüj Fanlar • Santrifüj fanlar çok yüksek debi ve/veya basınç değerlerine çıkabilmektedir. • Montaj ve işletme esnekliğine sahiptirler. • Endüstriyel alanda ve klima santrallerinde sık kullanılan fan tipidir.

13. Aksiyal Fanlar • Aksiyal fanların ana elemanları gövde, göbek, kanatlar ve motordur. Aksiyal fanlar, santrifüj fanlar kadar yüksek basınç üretemezler. • Debi, basınç ve yüksekliği konumlama, motorun akışkandan korunması gibi yönlerden santrifüj fanlar kadar esnek değildir. • Daha basit yapıda ve ucuzdurlar, verimleri %75‘lere kadardır ancak akış tarafına kılavuz kanatlar konulmasıyla %85’lere çıkabilir.

16. 7. Mevcut Fanlarda Performans Ölçümü

17. a) Pitot tüpü ile debi ölçümü Bu ölçüm tekniğinde debi dolaylı olarak hesaplanır. Burada fanın hizmet ettiği tesisatın uygun bir noktasında dinamik basınç ve sıcaklık ölçümleri yapılır. Burada v hız (/m/s), Pd dinamik basınç (Pa), g gaz yoğunluğu (kg/m3), K Pitot tüpü sabitidir (-). K sabiti Pitot tüplerinde 1 alınır, Prandtl ipi tüplerde ise 1’den küçük olabilir. V=vxAx3600 (/m3/h) A Akış kesiti (m2)

18. b) Pitot tüpü ile statik basınç ölçümü Fanların giriş ve çıkış hücrelerinde (fark basınç prosestatları ağızlarından) statik basınçlar ölçülü ve dinamik basınç buna ilave edilerek fanın toplam basıncı hesaplanır. c) Elektriksel güç ölçümü Fanın çektiği akım, voltaj, cosφ değerleri kaydedilerek, fan elektrik motorlarının verimi de dikkate alınarak fanın verimi hesaplanır. Şebekeden çekilen elektriksel güç Nel=(3)1/2 x I(amper) x V(volt) x cosφ/1000 (kW) şeklinde hesaplanır.

19. d) Fan hidrolik gücü Nf=V(m3/h)xΔPt(mmSS)/(3600x102) (kW) e) Fan verimi Fan, motor ve kayış kasanak sistemininin toplam verimiηt=(Nf/Nel)x100 (%) ηt=ηfanxηmotorxηkayıs, fan verimi, ηfan=ηt/(ηmotorxηkayıs). Burada ηmotor motor verimi (etiketten okunur veya %90 alınabilir), ηkayıs kayış-kasnak sistemi verimi olup yaklaşık %94 alınabilir.

20. 8. Fanlarda Enerji Verimliliği • Endüstride kullanılan fanlar yüksek güç tüketen cihazlar olup arıza, bakım veya başka nedenlerle durdurulmadığı sürece çalışırlar. • Fanın ömrü boyunca tüketeceği enerji, bu fanın imalat (ilk yatırım) maliyetinin yüzlerce katı olabilmektedir. • Yıllık çalışma süreleri fazla olan tesislerde enerji verimliliği önemlidir. • Ömür boyu maliyeti (ilk yatırım ve ömür boyu enerji maliyetlerinin toplamı) az olan fan seçilmelidir.

21. Fan verimi fandan alınan hidrolik gücün fan şaftında fana verilen güce oranı şeklinde tanımlanır. [1] Santrifüj fanlar için Tshaft (Nm) Aksiyal fanlar için Tshaft (Nm)

22. Açısal hız ω=2πn/60 (rad/sn). Burada; n fanın devir sayısı (d/d), Tshaftşafta verilmesi gereken tork (Nm), r1 ve r2sırasıyla giriş ve çıkış yarıçapları (m), cu1 ve cu1sırasıyla giriş ve çıkışta akışkanın mutlak hızının teğetsel bileşenleridir (m/s).

23. Şaft gücü fanın içinden geçen kütlesel debiye, fanın açısal hızına, rotor yarı çapına, emiş ağzı yarı çapına cu1ve cu2 terimleri nedeniyle kanat eni, kanat açısı gibi parametrelere bağlıdır. • Fanlarda enerji verimliliğini etkileyen başlıca unsurlar rotor ve kanat geometrisi, kanat sayısı, hidrolik kayıplar (türbülans, vorteksler, kanatların akışa kılavuzluk edememesi, sürtünme, kaçaklar vb.), yataklardaki sürtünmeler, tahrik sistemi ve motor kayıplarıdır. Örneğin santrifüj fanlarda kanat verimi kanat tipine göre %60 ile %92 arasında değişmektedir.

24. 9. Mevcut Fan Sistemlerinin İyileştirilmesi • Debi, fan emişinde ve çıkışındaki statik basınç, sıcaklık, motorun çektiği akım, voltaj, cos, motor verimi ölçülür. • Fan hidrolik gücü, şebekeden çekilen güç hesaplanır. • Fan sisteminin (fan, kayış-kasnak veya kaplin, motor komple) verimi (ηtoplam= ηfan x ηakt x ηηot) hesaplanır. • Fan verimi [ηfan= ηt /( ηakt x ηmot )] hesaplanır. • Böylece fanda verim ve gerekiyorsa kapasite artış potansiyeli ortaya konulur. • Tablo 1 ve Tablo 2’de iki farklı çimento fabrikasında bulunan fanların sahada yapılan ölçüm değerler verilmiştir.

25. Tablo 1. Çimento fabrikası A’daki ölçüm değerleri.

26. Tablo 2. Çimento fabrikası B’deki ölçüm değerleri.

27. Verim Artışı sağlanması • Verimlilik artışı potansiyeli olan fanlar yukarıdaki tablolarda koyu renk ile işaretlenmiştir. • Verimlilik artışı potansiyeli tespit edilen bir fanın tasarımında; yukarıdaki denklemlerle kanat açıları, kanat sayıları, rotor ölçüleri vb. ölçülerde gerekli değişiklikler yapılır. • Denklemindeki fan verimi maksimum düzeye (örneğin %85) gelinceye bilgisayar programı ile değişiklikler yapılır. • Not: Fan verimleri günümüzde %80-85 civarına kadar çıkarılabilmektedir. Ancak çimento fabrikalarında olduğu üzere tozdan kaynaklanan aşınma, sıcaklık nedeniyle malzemenin mukavemet değerlerinin düşmesi, toz yapışması, çevresel kuvvetler gibi faktörler dikkarimden biraz fedakarlık yapılabilir. • Optimum tasarım elde edildikten sonra bu tasarımın kontrolü için CFD (Computational Fluid Dynamics) analizi yapılarak nihai karar verilir.

29. Uygulama örneği 1: • Bir çimento fabrikası tarafından bir filtre fanında motor değiştirilmeden (şebekeden yaklaşık aynı akım çekilerek) debi artışı yapılıp yapılamayacağının incelenmesi talep edilmiştir. • Tarafımızca yapılan ön hesaplarda sadece rotor değiştirilip verim artışı sağlanarak fan kapasitesinin 320.000 m3/h’den 450.000 m3/h’e çıkarılabileceği hesaplanmıştır. • Bu artışın sağlanabilmesi için denklem (1)’deki η değeri maksimize edilmiştir. • Bu değer ise emiş çapı, rotor çapı, kanat giriş ve çıkış açılarına, girişte ve çıkışta kanat enine, devir sayısına bağlıdır. • Bu parametreler gerektiği kadar değiştirilerek fan bir boyutlu tasarım ile optimize edilmiştir. • Tasarım CFD simulasyonu ile kontrol edilmiş ve gerekli değişiklikler yapımıştır. • Fanın imalatı ve montajı tamamlanmıştır.

30. Fabrika yetkilileri ile birlikte fan çalışırken yapılan ölçümde fan debisinin 463.000 m3/h olduğu belirlenmiştir. • Yapılan hesap sonucunda fan veriminin %82 olduğu belirlenmiştir. • Motor gücü artırılmadan verim artışı sağlamak suretiyle debi önceki duruma göre %45 civarında artırılmıştır. • Fanın iyileştirme öncesi ve sonrasındaki değerleri aşağıda verilmiştir.

31. Tasarruf: • Aynı motor gücü ile yukarıda belirtilen oranda hava debisi artışı sağlanmıştır. Bu değer yaklaşık 160 kW güce karşılık gelmektedir. • Fanın yılda 7000 saat çalıştığı ve enerji maliyetinin 0,18 TL/kWh olduğu kabul edilirse yıllık parasal tasarruf (160 kWx7000 hx0.18 TL/kWh=) 201.600 TL/yıl olmaktadır. • Bu işin ilk yatırım bedeli yaklaşık 90.000 TL olmuştur. Buna göre basit amortisman süresi (90.000/201.600=) 6 ay olmaktadır. • Bu fan Haziran 2009’dan bu yana %82 civarında bir verimle çalışmaktadır.

32. Uygulama örneği 2: • Bu uygulama bir MDF entegre fabrikasındaki kurutma fanıdır. • Burada Firmaca, kapasite değişikliği olmadan şebekeden çekilen elektriksel gücün azaltılıp azaltılamayacağının incelenmesi istenmiştir. • Bu uygulamada da öncelikle mevcut durumu sahada ölçülmüş ve verimlilik artış potansiyeli değerlendirilmiştir. • Verim maksimum olacak şekilde fan tasarımı optimize edilerek CFD simülasyonu yapılmış ve imalatı yapılacak hale getirilmiştir. • İmalat ve montaj gerçekleştirilmiştir. • Fan yerine monte edilmiş ve çalışırken debi, statik basınç, şebekeden çekilen akım, voltaj değerleri ölçülmüştür.

34. Tasarruf: • Saatlik (1411-970=) 441 kW olmaktadır. • Fanın yılda 7000 saat çalıştığı ve enerji maliyetinin yine 0.18 TL/kWh olduğu kabul edilirse yıllık parasal tasarruf (441x7000x0.18=) 555.660 TL/yıl olmaktadır. • Bu işin ilk yatırım bedeli yaklaşık 150.000 TL olmuştur. Buna göre amortisman süresi 4 aydan daha kısa olmaktadır. • Bu fan Kasım 2009’dan bu yana belirtilen verimle çalışmaktadır (şebekeden yaklaşık 970 kW çekmektedir).

35. 10. Sonuç • Enerji verimliği için fanlar, sistem ve prosesin ihtiyacına uygun biçimde tasarlanıp imal edilmelidir. • Mevcut fanlarda öncelikle mevcut durumun analizi ve ölçümler yapılarak tasarruf potansiyeli belirlenmelidir. • Günümüz teknolojisinde fanın cinsine bağlı olarak %70-85 arasında verim değerleri elde etmek mümkündür. • Bunun için CFD simulasyonları ve diğer bilgisayar programları ile fanlar optimize edilebilmektedir. • Endüstrideki 200 kW’nın üzerindeki güçlerde fanların öncelikle incelenmesi yararlı olacaktır.

36. İyileştirme potansiyelinin nedenleri; • emniyet faktörü ve kapasite artırım düşünceleri nedeniyle sisteme uygun fanın seçilmemiş olması (genellikle büyük fan seçimi), • tasarım sürecinde verimliliğin yeterince sağlanamaması, • zaman içinde fanların verimliliklerinin azalması, • proses ihtiyaçlarının değişmesidir. • Enerji verimliliğinin artırılmasında fana ilave olarak tahrik sitemi (kayış kasnak varsa kapline dönme), elektrik motoru (örneğin 90 kW’a kadar EFF1 motor kullanımı) ve kontrol stratejileri (değişken debili sistemlerde paralel işletme, frekans invertörü uygulamaları) da önemli olup konu sistem olarak ele alınmalıdır.