ÇAVUŞOĞLU Sezgin1 ATMACA Mustafa2
1Araştırmacı, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Bölüm,
(ORCID ID: 0000-0003-2008-1170)
2Profesör, Marmara Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü,
(ORCID ID:0000 0003 3906 9606 )
Öz
Enerjiye olan talep gelişen teknoloji ve artan nüfus yoğunluğu ile her geçen gün artmaktadır. Enerji harcanması kolay ancak üretimi zor olduğundan dolayı, firmalar enerji tüketen cihazlarında ( özellikle kullanımı zaruri ev aletlerinde ) her zaman daha az enerji tüketimi ile erişilebilecek maksimum fayda sağlayabilecek teknoloji ve sistemlere yönelmişlerdir. Mesken alanların yanı sıra endüstriyel işletmelerde de ürüne etki eden birim maliyeti düşürebilecek en büyük etkenlerden bir tanesi enerji olmuştur. Endüstriyel tesislerin yüksek ısılarda çalışması ve aynı şekilde yüksek sıcaklıklardaki ısıyı atık olarak tahliye etmeleri firmaları bu ısıya kullanmaya yöneltmiştir. Enerji kazanımı içim girişimleri ve yatırımları olan firmalar daha az enerji ile daha büyük üretimler yapma olanakları elde etmiş, kendi pazarlarındaki varlıklarını sürdürmüştür.[1]
Ülkemiz, kısıtlı enerji üretimi ve yüksek enerji ithalatına sahip olması nedeni ile enerji verimliliğindeki öneme dikkat çekilmesi gerekli olan bir konumdadır. Enerjinin verimli kullanılmasını sağlayan sistemler ve tesislerin yaygınlaştırılması, üretim tesislerimdeki sürdürülebilirlik ve mesken alanlardaki tüketim miktarlarının azaltılması gayri safi milli hasılada enerjiye ayrılan hacmin azalmasına ve ekonomik refah’ a katkı anlamında önemli kazanımlar sağlayacaktır.
Bu anlayışı benimseyerek eloktrostatik toz boya işlemi yapılan tesislerde kullanılmak üzere yüksek sıcaklıktaki atık baca gazını kullanarak ısı kazanımı sağlanmıştır. Tesis gereği olarak bir adet kurutma ve bir adet pişirme fırını kullanılmakta olup bu bacalardan yüksek sıcaklıkta baca gazı tahliye edilmektedir. Atık ısıdan faydalanacak ekonomizer sistemi kurularak bu bacalardan kazanılan ısı, yüzey işlem banyolarına sıcak su sağlayan kazan sistemine kazandırılmıştır ve kazanın ısıta yükü azaltılmıştır.
Anahtar kelimeler: Enerji verimliliği, enerji geri kazanımı, atık enerji, enerji sistemleri Abstract
The demand for energy is increasing day by day with the developing technology and increasing population density. Since energy consumption is easy but production is difficult, companies have always turned to technologies and systems that can provide maximum benefit with less energy consumption in their energy consuming devices (especially in household appliances). Energy has been one of the biggest factors that can reduce the unit cost affecting the product in industrial enterprises as well as in residential areas. The fact that industrial facilities operate at high temperatures and in the same way discharge the heat at high temperatures as waste has led companies to use this heat. Companies that have initiatives and investments for energy gain have had the opportunity to make larger productions with less energy, and have continued their presence in their own markets.
Our country is in a position to draw attention to the importance of energy efficiency due to its limited energy production and high energy import. The dissemination of systems and facilities that ensure efficient use of energy, sustainability in my production facilities and reduction of consumption in residential areas will provide significant gains in terms of contributing to the reduction of the gross national product, the volume allocated to energy and economic welfare.
By adopting this understanding, heat recovery has been achieved by using high temperature waste flue gas to be used in plants with electrostatic powder coating. One drying and one cooking furnace is used as a requirement of the facility, and high temperature flue gas is discharged from these chimneys.
By installing an economizer system to benefit from the waste heat, the heat gained from these chimneys was brought to the boiler system that provides hot water to the surface treatment baths, and the heat load of the boiler was reduced.
Key words: Energy efficiency, energy recovery, waste energy, energy systems I. GİRİŞ
Endüstriyel atık ısı, Ammar ve ark. Tarafından ekonomik olarak iyileştirilemeyen ısı olarak tanımlanmaktadır [2]. Bununla birlikte, atık ısı geri kazanımının ekonomikliği, ısı kaynağının nitelik ve niceliğine, geri kazanılan enerjinin nihai kullanımına ve tasarım yaklaşımlarına bağlıdır. Viklund ve Johansson, atık ısıyı endüstriyel proseslerin bir yan ürünü olarak tanımlamıştır [3]. Bendig ve ark., endüstriyel atık ısıyı, ısı geri kazanımından sonraki bir süreçte mevcut olan ısı olarak tanımlamaktadır [4]. Endüstriyel toz boya tesislerinde ise yüksek sıcaklık üretimi yapılan kurutma ve pişirme fırınlarından yan ürün sayılabilecek atık ısı atmosfere tahliye edilmektedir.
Bu tesislerde boyanması istenen metal parçalar, boyama safhasına gelene kadar birçok işlem görmektedir. Parçanın boyanabilmesi için öncelikle parçalar yağ alma banyolarından geçmektedir. Sonrasında metal yüzey üzerinde boyanın tutunabilmesi için çinkofosfat ile kimyasal tepkime sonucu yüzey aşındırma gerçekleştirilmektedir. Tepkime sonlandırılması için pasivasyon banyosundan geçen parçalar DI (deiyonize) su ile yıkanmaktadır. Boyama işlemine tüm parçalar tamamen kuru girmesi gerektiğinden dolayı boya işlemi öncesinde parçalar kurutma fırınından geçirilerek üzerinde kalan su kurutulmaktadır. Bu şekilde boya kabininden geçen ve boyanan parçalar mamul hale gelebilmesi için kpişirme fırınından geçerek toz boyanın pişmesi sağlanmaktadır. Son olarak fırın çıkışında pişirme operasyonunda parçalar üzerine transfer olan ısının deşarj edilmesi için soğutma bölümünden geçerek montajlamaya uygun hale gelmektedir.[5] Tüm bu proseslerin sağlanması için sıcak su ve yüksek sıcaklıktaki ortamlar gerekmektedir. Bu tesiste kullanılan kurutma ve baca fırınlarından çıkan yüksek sıcaklıktaki gazlar ekonomizer sistemleri ile sıcak su üretim tesislerinde kullanılan suya aktarılarak enerji geri kazanımı potansiyeli görülmüştür.
II. MATERYAL VE YÖNTEM
Şekil 1’de tesisin minyatür görünüşü üzerinde kırmızı oklar yüksek atık ısı tahliyesi olan bacalar gösterilmektedir. Bu bacalardan elde edilebilecek ısı geri kazanımının kullanılabileceği sıcak su sistemi kırmızı çerçeve ile gösterilmiştir.
Şekil 1: Isı geri kazanım sistemi uygulanmamış haldeki toz boya tesisi
Şekil 1’ de gösterilen tesisin bacalarına yerleştirilen ekonomizer sistemi ile yüzey işlem banyolarına sıcak su sağlayan sistemdeki geri dönüş suyu ısıtılarak kombinin suyu ısıtma aralığı azaltılmış ve atık ısıdan enerji geri dönüşümü sağlanmıştır. Uygulanan ekonomizer sistemine ait şematik gösterim Şekil 2’ de gösterilmiştir.
Şekil 2: Atık ısı bacalarına uygulanan ekonomier sistemi şematik gösterimi [6]
Ekonomizer sistemi adaptasyonu sonucunda üretim alanındaki sıcak su tesisatının ve tesisin son durumu şekil 3’ te gösterilmiştir.
Şekil 3: Ekonomizer ile enerji geri kazanım sistemi uygulanan tesisin şematik gösterimi III. ANALİZ
Sıcak su kazanını giriş çıkış sıcaklıkları ve kazanın kapasitesi göz önüne alınarak kazanın ısıtma yükü hesaplanmıştır.
Veriler;
Sıcak Su Sirkülasyon Debisi : 68.500 kg/s (Ultrasonik Debimetre Ölçümü) Sıcak Su Kazan Giriş Sıcaklığı : 54,2 oC (Daldırma Tip Termometre Ölçümü)
Sıcak Su Kazan Çıkış Sıcaklığı : 56,9 oC (Daldırma Tip Termometre Ölçümü)
Cavg ( ortalama 50 oC’ deki su) : 4,18 Kj/kg
Bu verilere bağlı olarak yapılan ısıtma yükü ve erim hesabı; Isıtma Yükü Hesabı;
𝑄𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎 𝑦ü𝑘ü = 𝑚 × Δh (3.1)
Δh = cp × ΔT (3.2)
𝑄𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎 𝑦ü𝑘ü = 𝑚 × cp × ΔT (3.3)
1 kcal = 4,1868 kJ
𝑄𝚤𝑠𝚤𝑡𝑚𝑎 𝑦ü𝑘ü = 68.500 × 1 × 2,7 = 184.950 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑠
Yakıt Reaksiyon Isısı Hesabı;
Kazan Doğalgaz Tüketimi (V) : 23,367 Sm3/h (Anlık sayaç verisi) Yakıt Alt Isıl Değer (Bu) : 8.250 kcal/Sm³
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖𝑦𝑜𝑛 𝚤𝑠𝚤𝑠𝚤 = 𝑚 × Δh (3.4) 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖𝑦𝑜𝑛 𝚤𝑠𝚤𝑠𝚤 = 23,367 × 8250 = 192.778 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑠 𝑇𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑣𝑒𝑟𝑖𝑚 =𝑓𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤 𝚤𝑠𝚤 𝑣𝑒𝑟𝑖𝑙𝑒𝑛 𝚤𝑠𝚤 (3.5) 𝐾𝑎𝑧𝑎𝑛 𝑣𝑒𝑟𝑖𝑚𝑖(𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛) =173.500 192.778= 0,90 = %90
Kurulan ekonomizer sistemi ile birlikte soğuk su giriş sıcaklığını ısıtılmak istenen değere yaklaştırarak, 23.367 Sm³/h olan doğalgaz tüketimi aşağıya çekilerek tasarruf sağlanmıştır.
Kurutma ve pişirme fırını bacalarındaki ortalama sıcaklık değerleri baz alınarak ekonomizer’ in sağladığı kazanç hesaplanmıştır.
Kurutma Fırını Tasarruf Hesabı; Veriler;
Baca Gazı Debisi : 1416 m3/h
Baca Gazı Sıcaklığı : 190,8 oC
Baca Gazı Ekonomizer Çıkış Sıc. : 120 oC (Karar verilen sıcaklık)
Cavg (Egzoz) : 0,326 kcal/Nm3
Ekonomizer Verimi(ekonomizer) : 0,95
Hesaplar;
𝑄1= 𝑚 × 𝑐 × ΔT (3.3)
𝑄1= 1416 × 0,326 × (190.8 − 120) = 32.680 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑠
𝑄2 𝑘𝑢𝑟𝑢𝑡𝑚𝑎= 32.680 × 0,95 = 31.046 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑠
Ekonomizerde Isıtılacak Su Debisi;
Sıcak Su Eko Giriş Sıcaklığı : 55 oC (Karar verilen dizayn parametresi)
Sıcak Su Kazan Çıkış Sıcaklığı : 75 oC (Karar verilen dizayn parametresi)
Cavg (ortalama 50 oC’ deki su) : 4,18 Kj/kg
𝑄𝑒𝑘𝑜𝑛.𝑘𝑢𝑟𝑢𝑡𝑚𝑎 = 𝑚 × cp × ΔT (3.3)
𝑚 =𝑄𝑒𝑘𝑜𝑛.𝑘𝑢𝑟𝑢𝑡𝑚𝑎
cp×ΔT (3.7)
𝑚 =31.046
1×20 = 1.550 𝑘𝑔/𝑠
Bu ısıyı kazanda üretseydik harcanacak yakıt debisi; 𝑉𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡,𝑘𝑢𝑟𝑢𝑡𝑚𝑎= 𝑄2𝑘𝑢𝑟𝑢𝑡𝑚𝑎 𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛×𝐵𝑢 (3.8) 𝑉𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡,𝑘𝑢𝑟𝑢𝑡𝑚𝑎= 31.046 0,9×8250= 4,18 𝑆𝑚 3/𝑠
Pişirme Fırını Tasarruf Hesabı; Veriler;
Baca Gazı Debisi : 916 m3/h
Baca Gazı Sıcaklığı : 306,2 oC
Baca Gazı Ekonomizer Çıkış Sıc. : 120 oC (Karar verilen sıcaklık)
Cavg (Egzoz) : 0,326 kcal/m3
Ekonomizer Verimi(ekonomizer) : 0,95
Hesaplar;
𝑄1= 𝑚 × 𝑐 × ΔT (3.3)
𝑄1= 916 × 0,326 × (306,2 − 120) = 55.600 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑠
Elde Edilecek Faydalı Isı (Q2pişirme) :𝑄2𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒= 𝑄1×𝑒𝑘𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑧𝑒𝑟 (3.6)
𝑄2𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒 = 55.60 × 0,95 = 52.820 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑠
Ekonomizerde Isıtılacak Su Debisi;
Sıcak Su Eko Giriş Sıcaklığı : 55 oC (Karar verilen dizayn parametresi)
Sıcak Su Kazan Çıkış Sıcaklığı : 75 oC (Karar verilen dizayn parametresi)
Cavg (ortalama 50 oC’ deki su) : 4,18 Kj/kg
𝑄𝑒𝑘𝑜𝑛.𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒 = 𝑚 × cp × ΔT (3.3)
𝑚 =𝑄𝑒𝑘𝑜𝑛.𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒
cp×ΔT (3.7)
𝑚 =52820
1×20 = 2.641 𝑘𝑔/𝑠
Bu ısıyı kazanda üretseydik harcanacak yakıt debisi; 𝑉𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡,𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒 = 𝑄2𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒 𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛×𝐵𝑢 (3.8) 𝑉𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡,𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒 = 52.820 0,9×8250= 7,11 𝑆𝑚 3/𝑠
Tüketilen doğalgaz ve kazanılan enerji ele alındığında yıllık çalışma saatine göre elde edilecek doğalgaz kazancı hesaplanmıştır.
Yıllık Tasarruf;
Saatlik tasarruf ( Ssaatlik):
𝑆𝑠𝑎𝑎𝑡𝑙𝑖𝑘= 𝑉𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡,𝑘𝑢𝑟𝑢𝑡𝑚𝑎+ 𝑉𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡,𝑝𝑖ş𝑖𝑟𝑚𝑒 (3.9)
𝑆𝑠𝑎𝑎𝑡𝑙𝑖𝑘= 4,18 + 7,11 = 11,29 𝑆𝑚3/𝑠
Doğal gaz alt ısıl değeri 8.250kcal/Sm3 için geri kazanılacak ısı; 𝑆𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛ç= 𝑆𝑠𝑎𝑎𝑡𝑙𝑖𝑘 860 × 𝐵𝑢 (3.10) 𝑆𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛ç= 11,29 860 × 8.250 = 108,3 𝑘𝑊𝑠
2019 Ocak ayı için KDV hariç birim kWs maliyeti 0,129 TL/kWs üzerinden hesaplanırsa
Saatlik tasarruf : 𝑆𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛ç/𝑠𝑎𝑎𝑡= 108,3 × 0,129 = 13,97 𝑇𝐿/𝑠 (3.11)
Yıllık Çalışma Saati : 300𝑔ü𝑛× 24𝑠𝑎𝑎𝑡 = 7200 𝑠𝑎𝑎𝑡/𝑦𝚤𝑙 (3.12)
Yıllık Tasarruf = 𝑆𝑦𝚤𝑙𝑙𝚤𝑘= 13,97 × 7200 = 𝟏𝟎𝟎. 𝟓𝟗𝟎 𝑻𝑳/𝒚𝚤𝒍 (3.13) IV. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Çalışma sonuçları, yıllık doğalgaz tüketiminde ciddi bir kazanç sağlamıştır. Bu gibi uygulamaların artırılması hem firmaların maddi kaynaklarının korunmasında hem de ülke milli servetinin korunmasında önemli rol oynamaktadır. Maddi kazançların yanı sıra tüketimdeki azalma doğadaki kirlenme miktarına da olumlu etki etmektedir. Bu örnek temel alınarak, özellikle büyük işletmeler atıklarını inceleyerek enerji geri kazanımı potansiyeli olan noktaları iyi analiz etmelidirler. Bu ve benzeri enerji geri kazanım sistemlerine yönelme dünya genelinde yaygın olsa da uygulama olarak aynı durumdan söz etmek mümkün değildir. Ülkemizde, enerji geri kazanım prensiplerini benimseyerek uygulamaları artırır ve yaygınlaştırırsak, endüstride enerji geri kazanımı sistemlerinde önde gelen ülkelerden biri olabilir hatta sistem kurma konusunda uzman bir konuma gelebiliriz.
KAYNAKÇA
International Energy Agency, ‘‘The International Energy Agency’’, IEA Key World Energy Statistics, 6-8, (2013).
Ammar Y., Joyce S., Norman R., Wang Y. and Roskilly AP., “Low grade thermal energy sources and uses from the process industry in the UK”, Applied Energy, 89, 3–20, (2012).
Viklund, S. B. and Johansson, M. T., “Technologies for utilization of industrial excess heat: Potentials for energy recovery and CO emission reduction”, Energy Conversion and Management,77, 369–379, doi: 10.1016/j.enconman.2013.09.052, (2014).
Bendig M., Marechal F. and Favrat D., “Defining ‘Waste heat’ for industrial processes”, Applied Thermal Engineering, 61(1), 134–42, (2013).
Berk teknik “Elektrostatik Toz Boya Nedir?“ [Online], (07Temmuz2020),
https://www.berkteknik.com.tr/page/blog_detay/18/elektrostatik-toz-boya-nedir.html Ünlü, O., ‘‘Endüstriyel Toz Boya Tesisindeki Verimlilik İncelemesi Teknik Raporu’’, (2020).