SANAYİ FIRINLARINDA ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ; ÖRNEK ÇALIŞMA EMAYE PİŞİRME FIRINI VERİMLİLİK PROJESİ ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZLERİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Sedat VATANDAŞ I SANAYİ FIRINLARINDA ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ; ÖRNEK ÇALIŞMA EMAYE PİŞİRME FIRINI VERİMLİLİK PROJESİ ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZLERİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Sedat VATANDAŞ i T.C. ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ SANAYİ FIRINLARINDA ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ; ÖRNEK ÇALIŞMA EMAYE PİŞİRME FIRINI VERİMLİLİK PROJESİ ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZLERİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Sedat VATANDAŞ Prof. Dr. Atakan AVCI (Danışman) YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BURSA - 2016 ii TEZ ONAYI Sedat VATANDAŞ tarafından hazırlanan “Sanayi Fırınlarında Enerji Ve Ekserji Verimliliği; Örnek Çalışma Emaye Pişirme Fırını Verimlilik Projesi Enerji Ve Ekserji Analizlerinin Gerçekleştirilmesi” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği/oy çokluğu ile Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman : Prof. Dr. Atakan AVCI iii U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; - tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, - görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, - başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu, - atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi, - kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı, - ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. 04/10/2016 Sedat VATANDAŞ iv ÖZET Yüksek Lisans Tezi SANAYİ FIRINLARINDA ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ; ÖRNEK ÇALIŞMA EMAYE PİŞİRME FIRINI VERİMLİLİK PROJESİ ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZLERİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Sedat VATANDAŞ Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Atakan AVCI Türkiye'de enerji kullanımının özellikle sanayide giderek artması, enerji verimliliğine olan ihtiyacı her geçen gün ön plana çıkartmaktadır. Enerjideki dışa bağımlılık, artan enerji maliyetleri ve rekabet unsuru, enerji verimliliğini yeni bir enerji kaynağı şeklinde ele alınması gerekliliği ortaya koymaktadır. Aynı anda, rekabetçiliğin arttırılması, enerji maliyetlerinin ve çevresel etkilerin azaltılması sadece enerji verimliliği ile sağlanabilmektedir. Endüstriyel fırınlar kullanıldıkları sanayi alanlarında önemli enerji tüketici olarak değerlendirilirler. Bu nedenle fırınların yapısının bilinmesi ve en verimli şekilde işletilmesi önemlidir. Örnek çalışma yapılan fırının revizyonunda enerji verimli tasarım ve enerji verimli satın alma süreçleri üzerinde de durularak, getirdiği kazanımlar tartışılmıştır. Bu çalışmada öncelikle boyler tank üretiminde kullanılan yüksek enerji tüketimine sahip bir emaye pişirme fırınının enerji ve ekserji analizi yapılmış ve fırının enerji geri kazanım potansiyeli değerlendirilmiştir. Çalışmanın sonucunda fırının enerji ve ekserji verimi sırasıyla %13 ve %9 bulunmuştur. Etüt çalışması sonucu belirlenen verimlilik projeleri anlatılmış ve yapılan uygulamalar detaylandırılmıştır. Verimlilik projeleri sonucu, enerji ve ekserji analizleri tekrarlanarak sırasıyla %28 ve %20,3 tespit edilmiştir. Çalışmanın sonunda sistemde enerjinin verimli kullanımı ve performansın arttırılmasına ilişkin önerilerde bulunulmuştur. Örnek alınan fırın çalışmasında verimlilik arttırıcı proje hazırlanmış ve yıllık yaklaşık 100bin TL tasarruf planlanmıştır. Enerji maliyetlerinin giderek artması, bu tasarrufun daha da artacağını göstermektedir. Anahtar Kelimeler: 2016, vii + 82 sayfa. i ABSTRACT MSc Thesis ENERGY AND EXERGY EFFICIENCY OF INDUSTRIAL FURNACES; CASE STUDY PERFORMING ENERGY AND EXERGY ANALYSIS OF ENAMEL FURNACE THROUGH EFFICIENCY PROJECT Sedat VATANDAŞ Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Atakan AVCI The increasing use of energy in Turkey, especially in industry and the need for energy efficiency brings the issue in the foreground. External dependence on sources of energy, energy costs and competitive factors, addressed the energy efficiency to take into account as a new energy source. At the same time, increasing competitiveness, reducing energy costs and decreasing environmental impacts can be achieved only through energy efficiency. Industrial furnaces are considered as significant energy users in the processes that they are used. Therfore it is important to know the structure of the furnace to operate it efficiently. Also the benefit of energy efficient design and energy efficient purchasing is discussed in the revision of case study furnace. In this study, primarily energy and exergy analysis of enamel furnace is made which has a significant energy consumption in the production of boiler, then energy recovery potential of furnace is evaluated. In the analysis, energy and exergy efficiencies are calculated respectively %13 and %9. Projects are described which are carried out according to the results of the energy audit and implementations are disclosed. After efficiency projects energy and exergy analysis are redone and efficiencies are recalculated respectively %28 and %20,3.Finally, recomendations were made for increasing the performance and the efficiency of the system Energy efficiency project was prepared for the case study furnace and approximately 100 thousand TL annual saving was planned. The increasing cost of energy, shows that savings will increase further. Key words: Endüstriyel fırın, enerji, ekserji, analiz, verimlilik, yanma 2016, vii + 82 pages. ii ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR Ülkemizin 2023 hedeflerine ulaşması için enerji verimliliğinin çok önemli olduğunun farkındalığı ile gerek profesyonel iş hayatımızda gerekse özel hayatımızda hepimize düşen görevler bulunmaktadır. Verimliliğin artırılması adına yapılan her çalışma çok değerlidir ve ülkemize katkısı önemlidir. Sanayi tesislerinde en önemli enerji tüketicilerinden biri de endüstriyel fırınlardır. Endüstriyel fırınların bulunduğu proseslerde hammaddeden sonra en büyük girdi enerji maliyetidir. Yüksek sıcaklıkta çalışan fırınların önemli miktarda enerjisi faydalı enerjiye dönüştürülmeden kaybedilmektedir. Bu nedenle endüstriyel fırınlarda verimlilik çalışmalarının önemi daha da artmaktadır. Verimlilik artışının ekonomiye olan katkısının anlaşılması, yapılan çalışmaların doğrulanması için analizlerin gerçekleştirilmesi ve iyi uygulama örneklerinin arttırılması gerekmektedir. Tez çalışmasında, uygulanan verimlilik projesinin enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilerek, elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Sonuçlar değerlendirilerek fırınlarda yapılabilecek iyileştirmeler ortaya konulmuştur. Verimlilik çalışmalarının hem ekonomiye hem de çevreye olan katkılarından dolayı verimlilik projelerinde ülkemize ve dünyaya karşı sorumluluk bilinciyle hareket etmemiz gerekmektedir. Bu nedenle tez çalışması kapsamında yapılan çalışmanın hedefine ulaşması için çok büyük emek sarf eden Baymak Makina Sanayi ve Ticaret A.Ş çalışanlarına, Fero Makine LTD. ŞTİ. çalışanlarına ve Enervis Enerji Servis A.Ş çalışanlarına teşekkür etmek istiyorum. Ayrıca bu çalışmanın İstanbul Kalkınma Ajansı’ndan destek almasından ve iyi uygulama örneği olarak yayınlanmasından dolayı projede emeği geçen tüm arkadaşlarımı tebrik ediyorum. Çalışmanın tez çalışması olması konusunda desteklerini esirgemeyen ve çalışma süresince beni yönlendiren tez danışmanım Sayın Prof. Dr. Atakan Avcı’ya, Sayın Doç. Dr. M.Ziya Söğüt’e aynı zamanda ihtiyaç duyduğumda yanımda olan dolayıaileme ve arkadaşlarıma teşekkürlerimi sunuyorum. iii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET .................................................................................................................................. i ABSTRACT ...................................................................................................................... ii ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR ................................................................................................ iii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ .................................................................... v ŞEKİLLER DİZİNİ .......................................................................................................... vi ÇİZELGELER DİZİNİ ................................................................................................... vii 1. GİRİŞ ......................................................................................................................... 1 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI .................................................................................... 8 2.1. Literatür Taraması ................................................................................................ 8 2.2. Endüstriyel Fırınlar ............................................................................................. 12 2.3. Endüstriyel Fırınların Sınıflandırılması............................................................. 13 3. MATERYAL VE YÖNTEM ................................................................................. 23 3.1. Materyal............................................................................................................... 23 3.1.1. Emaye Pişirme Fırını .......................................................................................... 23 3.1.2. Fırınlarda Enerji Verimliliği .............................................................................. 27 3.2. Yöntem ................................................................................................................ 33 3.2.1. Sanayi Fırınlarında Enerji Ve Ekserji Analizi .................................................. 33 3.2.2. Yanma.................................................................................................................. 44 4. BULGULAR ........................................................................................................... 55 Uygulama Öncesi Fırın Enerji Analizi .............................................................. 55 4.2. Uygulama Öncesi Fırın Ekserji Analizi ............................................................ 58 4.3. Uygulama Projeleri ............................................................................................. 60 4.4. Fırın Uygulama Sonrası Enerji Analizi ............................................................. 63 4.5. Fırın Uygulama Sonrası Ekserji Analizi ........................................................... 66 5. TARTIŞMA VE SONUÇ ....................................................................................... 68 KAYNAKLAR ................................................................................................................ 71 EK 1 ................................................................................................................................. 73 ÖZGEÇMİŞ ..................................................................................................................... 82 iv SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Kısaltmalar Açıklama ABD :Amerika Birleşik Devletleri AB :Avrupa Birliği AID :Alt ısıl değer BP :British Petrol (İngiliz Petrol Şirketi) GSYH :Gayri Safi Milli Hasıla TEP :Ton Eşdeğer Petrol OECD :Ekonomik Kalkınma ve İşbirliği Örgütü TUİK :Türkiye İstatistik Kurumu UID :Üst ısıl değer IEA :Uluslarası Enerji Ajansı ETKB :Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı YEGM :Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü IP :Geliştirme Potansiyeli Simgeler Açıklama W :İş Q :Isı E :Enerji V :Hız z :Yükseklik P :Basınç T :Sıcaklık μ :Verim h :Entalpi s :Entropi cp :Özgül ısı kapasitesi 𝑊̇𝑡𝑟 :Tersinir iş λ :Hava fazlalık katsayısı v ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 1.1. Türkiye birincil enerji yoğunluğu (BP 2014) ............................................. 1 Şekil 1.2. Enerji yoğunluğu - Kişi başı enerji kullanımı (IEA, ETKB, 2013) .......... 2 Şekil 1.3. 2013 yılı TÜİK verilerine göre elektrik tüketimi ....................................... 4 Şekil 2.1. Mufla fırını .................................................................................................. 16 Şekil 2.2. Fırın ateşleme yöntemleri .......................................................................... 16 Şekil 2.3. Elektrot düzen tipleri .................................................................................. 18 Şekil 2.4. a) Ark fırını kesit görünümü b) Grafit elektrotlar .................................... 19 Şekil 2.5. a) Direnç yan ve alt tarafta b) Direnç üst ve alt tarafta ............ 20 Şekil 2.6. Çekirdeksiz fırınlar ..................................................................................... 21 Şekil 3.1. Proses şeması .............................................................................................. 25 Şekil 3.2. Termal kamera görünümleri ...................................................................... 26 Şekil 3.3. Baca gazı analizi ......................................................................................... 27 Şekil 3.4. Fırın sankey diyagramı............................................................................... 27 Şekil 3.5. Optimum çalışma grafiği ........................................................................... 28 Şekil 3.6. Fırın ön görünüm ........................................................................................ 32 Şekil 3.7. Sürekli akış kütlenin korunumu diyagramı............................................... 35 Şekil 3.8. Enerji-Ekonomi-Ekoloji ilişkisinin ekserji analizi ilişkisi ....................... 37 Şekil 3.9. İşlenmemiş doğal gazın temel elemanları ................................................. 48 Şekil 4.1. Proses girdileri enerji dağılımı .................................................................. 56 Şekil 4.2. Sankey enerji dağılımı ............................................................................... 57 Şekil 4.3. Reküparatif brülör ...................................................................................... 60 Şekil 4.4. P tipi radyant tüpler ve izolasyon çalışmaları ........................................... 61 Şekil 4.5. PLC ünitesi ................................................................................................. 62 Şekil 4.6. Ekonomizer ünitesi ..................................................................................... 63 Şekil 4.7. Ekonomizer panosu .................................................................................... 63 Şekil 4.8. Proses girdileri enerji dağılımı .................................................................. 64 Şekil 4.9. Enerji dağılımı sankey diyagramı.............................................................. 65 Şekil 5.1. Çevre sıcaklığına bağlı ekserji verimi ....................................................... 68 vi ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Malzeme ve işleme göre fırın sıcaklık değerleri ...................................... 15 Çizelge 3.1. Uygulanan emaye kalınlıkları .................................................................... 24 Çizelge 3.2. Yüzey alanları ve sıcaklıkları .................................................................... 30 Çizelge 3.3. By parametresi............................................................................................. 31 Çizelge 3.4. Elde edilen sonuçlar ................................................................................... 31 Çizelge 3.5. Fosil yakıtların elektrik üretiminde CO2 salınımı(MMO,2008) .............. 47 Çizelge 3.6. Doğalgaz bileşenleri ................................................................................... 49 Çizelge 3.7. Bileşen oranlarına göre elde edilen veriler ............................................... 51 Çizelge 3.8. Gibbs oluşum fonksiyonu ve standart kimyasal ekserji değerleri ........... 52 Çizelge 3.9. Yakıt karşılaştırma (Akfel,2015) ............................................................... 54 Çizelge 4.1. Proses girdileri ............................................................................................ 56 Çizelge 4.2. Proses çıktıları ............................................................................................ 57 Çizelge 4.3. Fırına giren maddeleri ekserji analizi ........................................................ 59 Çizelge 4.4. Fırından çıkan maddelerin ekserji analizi ................................................. 59 Çizelge 4.5. Ekonomizer uygulaması sonuçları ............................................................ 62 Çizelge 4.6. Proses girdileri enerji dağılımı .................................................................. 63 Çizelge 4.7. Proses sonucunda çıkan maddeler ............................................................. 64 Çizelge 4.8. Fırına giren maddeleri ekserji analizi ........................................................ 66 Çizelge 4.9. Fırından çıkan maddeleri ekserji analizi ................................................... 66 vii 1. GİRİŞ Ülkemizde, 2003 yılında 78 milyon TEP birincil enerji tüketimi gerçekleşirken, 2013 yılında birincil enerji tüketimi 123milyon TEP'e ulaşarak %57'lik bir artış yaşanmıştır. Bu süre zarfında dünyadaki birincil enerji tüketimi ortalama %26 oranında artmıştır. Aynı zaman zarfı içerisinde birincil enerji tüketimi ABD'de %6 azalırken, AB 'de %2 azalmıştır. (BP 2014) Enerji yoğun sektörlerin bulunduğu ekonomik bir yapıya sahip olan ülkemizde, enerji tüketiminin yıllara bağlı olarak artış göstereceği yapılan tüm çalışmalarda belirtilmektedir. Bu nedenle birincil enerji tüketimimiz artarken, birincil enerji yoğunluğumuzu düşürebilmek, ülkemizin gelişmişlik seviyesini belirleyecek önemli bir gösterge olacaktır. Bilindiği üzere birincil enerji yoğunluğu, birincil enerji tüketiminin GSYH’ya oranlanması sonucu hesaplanır. Enerji verimliliği sağlayarak, birim GSYH üretmek için kullanacağımız enerjimizi azaltmak suretiyle enerji yoğunluğumuzu düşürmek, ekonomimiz açısından temel hedeflerimizden biridir. Bu hedef ayrıca sürdürülebilir kalkınmanın sağlanabilmesi için enerjinin, üretiminden iletimine, iletiminden tüketimine kadar etkin kullanılması, enerjinin çevresel etkilerinin asgari seviyeye düşürülmesi açısından önemlidir. Şekil 1.1. Türkiye birincil enerji yoğunluğu (BP 2014) Türkiye'nin enerji yoğunluğu ile ilgili 2018 yılı hedefi 0,243 TEP/1 000 USD olarak belirlenmiştir.(Kalkınma Planı 2014-2018) Şekil 1.2 'de ise Türkiye'nin hedeflediği 1 enerji yoğunluğu ve kişi başına enerji tüketim değerlerine OECD ülkelerinin sahip olduğu ve Türkiye'nin de bu ülkeler arasına girme hedefi olduğu görülmektedir. Şekil 1.2. Enerji yoğunluğu - Kişi başı enerji kullanımı (IEA, ETKB, 2013) Dolayısı ile enerjide arz güvenliğinin sağlanması, enerji maliyetlerinin azaltılması, rekabetçiliğin artırılması, iklim değişikliği ile mücadelenin etkinliğinin artırılması ve çevrenin korunması, dışa bağımlılıktan kaynaklanan risklerin azaltılması gibi ulusal stratejik hedeflerimiz açısından enerji verimliliği kilit bir kavram olarak görülmektedir. 2007 yılı Nisan ayında kabul edilen Enerji Verimliliği Kanunu‘na göre '' Enerji verimliliği, binalarda yaşam standardı ve hizmet kalitesinin, endüstriyel işletmelerde ise üretim kalitesi ve miktarının düşüşüne yol açmadan enerji tüketiminin azaltılması anlamına gelmektedir.'' Enerji verimliliğinin ayrıntılı tanımına göre ise enerji verimliliği, ―… ısı, gaz, buhar, basınçlı hava, elektrik gibi çok değişik formlarda olabilen enerji kayıpları ile her çeşit atığın değerlendirilmesi veya geri kazanılması veya yeni teknoloji kullanılması yoluyla üretimi düşürmeden, sosyal refahı engellemeden enerji tüketiminin azaltılmasıdır (Kavak 2005).Dünya Enerji Konseyi'nin tanımına göre enerji verimliliği belirli bir 2 hizmet veya aktivite için, kullanılan enerjide sağlanan her tür düşüştür. Bu tüketim düşüşü teknolojik gelişmelerle ilişkilendirilebileceği gibi daha iyi yapılanma, yönetim ve bilinçlendirme gibi yollarla da sağlanabilir.1 Türkiye‘de özellikle 2000 yılından bu yana yenilenebilir enerji ve enerji verimliliği konularında radikal kararlar alınarak gerekli tedbirlerin yasal temelleri atılmaktadır. Bunun bir parçası olarak 2007 yılı Nisan ayında Enerji Verimliliği Kanunu kabul edilmiştir. Kanunun yayınlanmasını müteakiben 2007 ve 2008 yıllarında ikincil düzenlemeler yürürlüğe konmuş ve bir dönüşüm süreci başlamıştır(Çalıkoğlu 2012). Bu çalışmalar doğrultusunda Enerji Verimliliği Strateji Belgesi 2012-2023 hazırlanarak, enerji verimliliği hedeflerin belirlenmesi ve somut adımlar atılmasını sağlamak adına önemli bir mesafe kaydedilmiştir. 2012/1 Karar No ile 20/02/2012 tarihinde yürürlüğe giren Enerji Verimliliği Strateji Belgesi 2012-2023, bugüne kadar enerji verimliliği kapsamında yürütülmüş faaliyetlerin değerlendirilmesi sonucunda alınan dersler, uygulama aşamasında karşılaşılan bariyerler ve enerji sektöründeki küresel eğilimler ışığında, Türkiye’nin enerji verimliliği yol haritasını ortaya koymayı hedeflemiştir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (ETKB) 2015-2019 Stratejik Planı' nda sekiz ana temadan bir tanesi enerji verimliliği olarak tespit edilmiştir. Aynı zamanda Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM) tarafından 1. Ulusal Enerji Verimliliği Eylem Planı hazırlık çalışmalarına 2015 yılında başlanmıştır. Çalışma taslak olarak görüşe sunulmuştur ve yakın zamanda yürürlüğe girecektir. 2013 yılındaki doğal gaz tüketimleri 2012 yılına göre yaklaşık % 1 artmıştır. 2013 yılı doğal gaz tüketiminde en yüksek paya %45 ile sanayi tüketimi sahiptir. Şehir ve enerji santralleri ise tüketim paylarının sırasıyla %18 ve %32’sini oluşturmaktadır. 2012 yılına göre doğal gaz tüketim oranları incelendiğinde, sanayi tüketimlerinin %2 oranında 1 World Energy Council, Energy Efficiency Policies Around the World: Review and Evaluation 2008 (London: 2007), 9. 3 arttığı gözlemlenmiştir (Karakış 2013). 2013 yılı TÜİK verilerine göre toplam elektrik tüketiminin %47.1'i sanayi sektöründe tüketilmektedir. Şekil 1.3. 2013 yılı TÜİK verilerine göre elektrik tüketimi Aynı şekilde Avrupa Birliği Enerji komisyonu tarafından kg/1 000€ birimiyle hesaplanan enerji yoğunluklarına bakıldığında, sanayi sektörü diğer sektörlere göre enerji yoğunluğu en yüksek sektör olarak görülmektedir. Ülkemizde sanayi alanında emek ve enerji yoğun sektörler ağırlıklı olarak faaliyet göstermektedir. Sektörlere göre ihracat verileri incelediğinde enerji verimliliğinin Türk sanayi sektörlerinin rekabet gücünün arttırması için önemli etken olduğu görülmektedir. Tüm strateji ve eylem planlarında enerji verimliliği uygulamaları ile enerji verimliliğinin arttırılması ve enerji yoğunluğunun düşürülmesi sanayi sektörü açısından en temel amaçlardan biri olarak görülmektedir. Enerji Verimliliği Strateji Belgesi 2012-2023 her bir sanayi alt sektöründeki indirgenmiş enerji yoğunluklarını, her bir alt sektör için %10’dan az olmamak üzere azaltılmasını hedef olarak belirlemiştir. Bu hedefe ulaşılması için, yapılması gereken çalışmalar, Enerji Kaynaklarının Ve Enerjinin Kullanımında Verimliliğin Artırılmasına Dair Yönetmelik çerçevesinde belirlenmiştir. Yönetmeliğin 8. Maddesi olan Enerji Yönetimi ve Verimlilik Artırıcı Önlemler kısmında yapılması gereken çalışmalar sıralanmıştır. 4 Bu çalışmalarda en önemli aşama olarak, enerji yönetimini ve enerji yönetiminin başlangıç noktası olan, enerji etütleri öne çıkmaktadır. Enerji yönetimi; enerji kaynaklarının etkin ve verimli kullanılmasını sağlamak hedefiyle eğitim, etüt, ölçüm, izleme, planlama ve uygulama faaliyetlerini kapsamaktadır. Enerji etüdü ise enerji verimliliğinin arttırılması için gerekli olan çalışmaların belirlenmesi için yapılan ve bilgi toplama, ölçüm, değerlendirme ve raporlama aşamalarından oluşan faaliyetleri nitelendirmektedir. Enerji etütleri ile birlikte, tesisin enerji tüketim karakteristiği ortaya çıkartılarak;  Enerji verimliliği fırsatlarının ortaya çıkartılması  Alternatif yakıtların kullanılabilme imkânlarının ortaya çıkartılması  Geleceğe enerji tüketim ve bütçe tahminlerinin yapılması  Benzer proseslere sahip tesisler ile enerji tüketimlerinin kıyaslanması çalışmaları yapılmaktadır. Enerji etüdü çalışmalarında, ısılı sistemlerin performansının belirlenmesinde, genellikle enerji denkliği bağıntıları kullanılır (Hepbaşlı 2008). Isı denkliği, ısının nerede ve hangi şekilde sisteme verildiğinin belirlenmesi ve enerjinin korunumu yasasının sistemde uygulanmasının sağlanmasıdır. Isı denkliği, giren ve çıkan enerjiyi belirlemek ve sistemi verimli hale getirebilmek için yapılabilecek değişikliklerin belirlenmesi amacıyla yapılır (EİE 1997a; Saibu Gas Co Hepbaşlı 1999). Isı denkliği ya da genel anlamı ile enerjinin denkliği(korunumu), Termodinamiğin birinci yasası ile ilgilidir. Bu yasa, doğanın en temel yasalarından biri olup, ''enerjinin niceliğini'' ortaya koymaktadır. Bir etkileşim sırasında, enerjinin bir biçimden başka bir biçime dönüşebileceğini, toplam miktarda azalma olmayacağını ifade eder (Çengel 1996). Ancak enerjinin etkin kullanımı konusunda bilimsel alanda yapılan çalışmalar, termodinamiğin ikinci yasasının sistemlere uygulanabilirliği üzerinde yoğunlaştırılmıştır. Termodinamiğin ikinci yasası enerjinin niteliği ile ilgilidir. Bu yasa; enerjinin niteliğinin bir hal değişimi sırasında, nasıl azaldığını hesaplamak için somut yöntemler ortaya koymaktadır. Başka bir deyişle, bir hal değişimi sırasında enerjinin 5 niteliğinin azalması, entropi üretimi ve iş yapabilme olanaklarının değerlendirilmesi bu yasanın inceleme alanıdır (Çengel,1996). Termodinamiğin birinci yasası doğrultusunda yapılan çalışmalarda enerji kavramı üzerinde durulurken, termodinamiğin ikinci yasasında ekserji kavramı ön plana çıkmaktadır. Termodinamik bakış açısından ekserji; bir referans çevreyle denge haline gelirken, bir sistem ya da madde ve ya enerji akışıyla üretilebilecek maksimum miktarda iş olarak tanımlanır. Enerjiden farklı olarak ekserji; korunum yasasına uğramaz(ideal veya tersinir prosesler hariç). Ekserji daha çok, gerçek proseslerde tersinmezlikler nedeniyle tüketilir ya da yok edilir. Bir proses boyunca ekserji tüketimi, proses ile ilişkili tersinmezlikler nedeniyle ortaya çıkan entropiyle orantılıdır. Bu bilgiler doğrultusunda, ekserji analizi yapmanın önemi aşağıda belirtilmiştir.  Enerji kaynaklarının kullanımının çevreye olan etkilerinin en iyi şekilde belirlenmesinde ana bir araçtır.  Enerji sistemlerinin tasarımı ve analizi için termodinamiğin ikinci yasası ile birlikte kütle ve enerjinin korunumu prensiplerinin kullanıldığı etkin bir yöntemdir.  Daha fazla verimli kaynak kullanıma amacını destekleyen uygun bir tekniktir. Belirlenmesi gereken atık ve kayıpların yerleri, tipleri ve gerçek büyüklükleri ortaya çıkarılır.  Mevcut sistemlerdeki verimsizlikleri azaltarak, daha verimli sistemleri tasarlamanın nasıl mümkün olup-olamayacağını gösteren etkir tekniktir.  Sistemin sürdürülebilir kalkınmanın sağlanmasına katkı sağlayıp, sağlamadığını değerlendirir. Bu çalışma da öncelikle literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Literatürde bugüne kadar yapılan enerji ve ekserji analizi çalışmalarından ve elde edilen sonuçlardan bahsedilmiştir. Ayrıca bulundukları işletmelerde önemli enerji tüketici olarak değerlendirilen sanayi fırınlarının çeşitli özelliklerine göre sınıflandırılmış ve kullanıldıkları sektörler ortaya koyulmaya çalışılmıştır. Materyal ve yöntem bölümünde çalışma yapılan emaye pişirme fırının özellikleri anlatılarak, enerji verimliliği yöntemleri üzerinde durulmuştur. Sanayi fırınlarında enerji 6 ve ekserji analizlerinin gerekliliği anlatılarak özellikle fırınlar için yapılan sürekli akışlı açık sistemlerin için yapılan çözümlemeler anlatılmıştır. Ayrıca yanma konusu ve yakıt tipleri ele alınmış doğalgazda yanma konusu daha detaylı olarak ele alınmıştır. Referans olarak alınan doğalgaz değerleri üzerinden, doğalgaz alt ısıl değeri hesaplanmıştır. Elde edilen veriler yapılan çalışmada kullanılmıştır. Aynı zamanda referans doğalgaz değerleri üzerinden teorik yakma havası hesaplanmıştır. Doğalgazın yakıt olarak avantajları ortaya konularak 1 000 kcal ısı ihtiyacı için gerekli olan çeşitli yakıtlar için maliyet karşılaştırma tablosu oluşturulmuştur. Bulgular kısmında fırın için yapılan ölçümler ve elde edilen bilgiler sonucunda fırının mevcut durumu ortaya koyulmaya çalışılmıştır. Mevcut durum üzerinden emaye pişirme kutu fırının enerji analizi ve ekserji analizleri gerçekleştirilerek sırasıyla verimlilik değerleri tespit edilmiştir. Mevcut durum analizi sonrası uygulama projeleri ele alınmış ve fırın revizyonu sonrasında enerji ve ekserji analizleri yinelenmiştir. Tartışma ve sonuç bölümünde ise elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Fırının geliştirme potansiyeli irdelenerek, enerji ve ekserji analizi sonuçları arasındaki farklar irdelenmiştir. Endüstriyel fırınlar için gerçekleştirilebilecek çalışmalar da sonuç kısmında sıralanmıştır. 7 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI 2.1. Literatür Taraması Endüstriyel fırınlar termal proses olarak ele alınırlar ve termodinamiğin birinci ve ikinci yasası kapsamında sürekli akışlı sistemler olarak analiz edilirler. Endüstriyel fırınlarda gerçekleştirilen iyileştirmeler ile birlikte fırınlarda yapılan enerji ve ekserji analizleri literatür taramasının kapsamını oluşturmuştur. Endüstriyel fırınlarda harcanan enerjinin önemli bir kısmı kayıp olarak gerçekleştiği için kayıpların azaltılması ve maksimum enerjinin iş görebilmesi için yapılan iyileştirme projeleri enerji verimliliği adına önem arz eden çalışmalardır. Bu nedenle endüstriyel fırınlarda gerçekleştirilen iyileştirmeler ile ilgili literatür taranmıştır. Örnek bir çalışmada, çelik tesislerinde bulunan ısıl işlem fırınında, baca gazı kaybı % 64 malzemeye verilen enerji % l2 olarak tespit edilmiştir. Aynı fırında menevişlemede baca gazı kaybı % 80.6 olurken malzemeye verilen ısı % 6.6 olarak tespit edilmiştir. Bu tip tesislerde ısı kayıplarının azaltılması ve en uygun işletme şartları sağlanması durumunda tespit edilen verim değerlerinden daha yüksek verimlere ulaşılabilmektedir (TÜBİTAK). Enerji, iş yapabilme yeteneği olarak adlandırılır. Termodinamiğin birinci yasası bize enerjinin vardan yok, yoktan var edilemeyeceğini ve korunduğunu ancak bir türden diğer bir türe dönüşebileceğini söylemektedir. Fırınlar ile ilgili enerjinin korunumu yasasına uygun olarak yapılan çalışmalar aşağıda sıralanmıştır. Ekserji analizlerinin sistemlerin termodinamik açıdan performanslarının değerlendirilmesine yönelik olarak 18 ’nci yüzyılın yarısından itibaren kullanılmaya başlandığı gözlenmiştir. Ancak ekserji yönteminin geliştirilmesi ve kullanılması son 15 yılda yaygınlaşmıştır. Ekserji analizlerinin ilk uygulamalarının güç santralleri üzerinde yoğunlaştığı bilimsel çalışmaların yanında, gıda ve çeşitli sanayi sektörlerinde de kullanılmaya başlandığı saptanmıştır. Aynı şekilde endüstriyel fırınlarda gerçekleştirilen ekserji analizleri de literatür taraması kapsamında değerlendirilmiştir. Ertem ve ark. (2008) endüstriyel tav fırınlarında çalışma yapmışlardır. Bu çalışmada enerji kayıplarının oluştuğu noktalar incelenerek, verimlilik çalışması 8 gerçekleştirilmiştir. Tavlama fırını verimi olarak nitelendirilebilecek, ürüne aktarılan enerji tespit edilmiş ve spesifik enerji tüketim miktarı belirlenmiştir. Tavlama fırını enerji girdisi olarak, yakıt tüketimi hesaplanmıştır. Tavlama fırını enerji girdisi ve enerji çıktıları değerlendirilmiş ve kayıplar tespit edilmiştir. Çalışma sonucunda tavlama fırını sankey diyagramı çıkartılmıştır. Sankey diyagramına göre tavlama fırını verimi %38,3 iken baca gazı kaybı %31,6 olarak görülmüştür. Yüzey kayıpları %13 ve açıklık kayıpları %10,4 olarak belirlenmiştir. Ertem ve ark. (2010) yaptıkları çalışmada Ereğli Demir ve Çelik Fabrikasında bulunan yassı kütük fırınında özgül enerji tüketiminin azaltılması fırsatlarını incelemişlerdir. Yassı kütük fırındaki enerji kayıplarının belirlenmesi için bir model oluşturulmuştur. Bu model doğrultusunda enerji verimliliğini %64,26 olarak hesaplanmıştır. Çalışmanın sonucunda birim enerji tüketiminin azaltılması için iki verimlilik fırsatı ortaya koyulmuştur. Bunlardan birincisi kütüklerin ön ısıtmaya tabi tutularak fırına sıcak şarj edilmesidir. Diğeri ise baca gazı ısısının reküperatör vasıtasıyla geri kazanılmasıdır. Geri kazanılabilecek enerji potansiyelini 81.590 kcal/TEP olarak tespti edilmiştir. Si ve ark. (2011) yaptıkları çalışma ile bir çelik fabrikasının enerji verimliliği potansiyelini incelemişlerdir. İnceleme sonunda atık ısının geri kazanılabileceği belirlenmiştir. Etüt çalışması sonucunda, işletmede bulunan önemli enerji tüketicisi tav fırını enerji verimi %60 olarak hesaplanmıştır. Buna karşın baca gazı kayıpları %29,5 olarak tespit edilmiştir. Bu değer, kayıplar içerisinde belirgin olara en büyük kayıp ve aynı zamanda enerji verimliliği fırsatıdır. Çalışma sonucunda ayrıca kütüklerin 315°C’ye kadar ön ısıtma ile fırına girmesi durumunda birim enerji tüketiminin düşeceği belirlenmiştir. Chen ve ark. (2005) yaptıkları çalışmada bir haddehanede bulunan tavlama fırınında enerji değerlendirmesi yapmışlardır. Üretim hızının artışı ile tavlama fırınının daha verimli çalıştığı belirlenirken, ölçümler sonucunda fırın enerji girdisinin %80'i yakıt ile %15,7’sinin ise sıcak baca gazı ile sağlandığını belirlenmiştir. Manatura and Tangtrakul (2010) reküperatör ile birleştirilmiş rejeneratif yakıcıların kullanıldığı tav fırınını enerji kullanımı açısından incelemişlerdir. Yapılan çalışmada tav fırınının özgül enerji tüketimi 31 m3 olarak tespit edilmiştir (doğalgaz ısıl değeri 8 250 9 kcal olarak hesaplanmıştır). Ayrıca fırın verimi %80,1 olarak hesaplanmıştır. Çalışma yapılan fırın, sadece reküperatör vasıtası ile enerji geri kazanımı yapan fırınlara göre %43,4 daha verimli olarak tespit edilmiştir. Bu durum, rejeneratif yakıcı teknolojisi ile önemli bir enerji verimliliği sağlandığını göstermektedir. Kirschen ve ark. (2009) yaptıkları çalışmada, birçok elektrik ark fırınının 70 adet enerji balansı ve enerji verimlilik değerleri, yapılan ölçümler ve literatürden alınan veriler ile birlikte sunulmuştur. Elektrik ark fırınlarının enerji gereksinimleri 510 ile 880 kWh/t aralığında, enerji verimliliği değerleri ise %40 ile %75 arasında hesaplanmıştır. Lee and Jou (2011) yaptıkları çalışmada fazla hava oranının ve hava ön ısıtma sıcaklığının fırın verimi üzerine etkilerini incelemişlerdir. Çalışmada egzoz gazındaki oksijen konsantrasyonunun %4’ten %3’e azaltılması ile fırın veriminin %0,6 artacağını bildirmişlerdir. G. Ertem, B. Çelik ve S. Yeşilyurt tarafından yapılan çalışma ile tav fırını enerji dengesi kurulmuştur. Çalışmaya göre tav fırını verimi %38,3 olarak tespit edilirken, baca gazı kayıpları %31,6, giriş açıklığı kayıpları %13 olarak hesaplanmıştır. Y. Tütünoğlu, A. Güven ve T. Öztürk tarafından cam temperleme fırınında gerçekleştirilen enerji analizinde %16,23 verimlilik değerine ulaşılmıştır. Fırın verimini etkileyen hususlar olarak fırın yüzey kayıpları, tambur yataklarındaki açıklılar ve baca gazı kayıpları olduğu değerlendirilmiştir. Baca gazının değerlendirilmesi ile verimin %27,38'e çıkacağı hesaplanmıştır. Z. Utlu, A. Hepbaşlı ve M. Turan tarafından gerçekleştirilen endüstriyel kurutucu fırının enerji ve ekserji verimleri sırası ile %35 ve %16 bulunmuştur. 2011 yılında yapılan çalışmada fırının ekserji kaybının parasal karşılığı 23.582.155 TL olarak hesaplanmıştır(2011). E. Mançuhan (2011) yaş tuğla kurutma prosesinde kullanılan tünel fırın enerji ölçüm sonuçları doğrultusunda enerji ve ekserji analizi çalışmaları gerçekleştirmiştir. Ekserji yıkımı, büyük oranda yaş tuğlada bulunan suyun buharlaşması ile gerçekleştiği görülmüştür. Ekserjinin yok olmasına neden olan diğer etmenler ise bacadan atılan kurutma havası, taşıyıcı paletler, kurutulmuş tuğlalardır. Tünel fırın ekserji verimi 10 %47,3 olarak tespit edilirken ekserji kaybı ise %52,7 olarak belirlenmiştir. Ekserji verim dağılımları; yaş tuğla serbest suyu buharlaşması için %27,8, bacadan atılan kurutma havası için %14,7' dir. Yi ve Mao-fa çalışmalarında, çelik üretiminde enerji tüketimini azaltmak için pota ocağının ekserji analizini yaparak, optimizasyonunu değerlendirmiştir. Ekserji analizi sonuçlarına göre, kullanılamaz elektrik enerjisi ile oluşan ekserji kaybının çok yüksek olduğu belirlenmiştir. Elektrik enerji verimliliği ise % 46,2 olarak tespit edilmiştir. Kullanılamaz elektrik enerjisini azaltmak için, tozaltı ısıtma değişik cüruf kompozisyonları ile denenmiştir. Bu tozaltı ısıtmada ortalama sıcaklık oranı 0. 5 °C / dk artmış, kullanılamaz elektrik enerjisi ton çelik başına 21 730 MJ azalmıştır. Böylelikle elektrik enerji verimliliği % 14,84 artırmıştır. Rafinaj döngüsü kısaltılarak ısı ekserji kaybı düşürülmüştür. Özkan ve ark. yaptıkları çalışmada, kojenerasyon tesisisin verimliliği artırmak ve ekserji kaybı azaltmak için ilk gözden geçirilmesi gereken sistem bileşenin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç için ekserji denge denklemleri oluşturulmuş ve ekserji kaybı her bileşen için hesaplanmıştır. Isı değiştirgecinde %44,44, yanma odasında %29,59, buhar kazanında 18,68%, gaz türbininde %5,25 ve%2,03 ekserji kaybı olduğu hesaplanmıştır. Bu sonuca göre tesisin tamamının verimini arttırmak amacıyla, olası bir değişikliğin öncelikle ısı eşanjörüne yapılması belirtilmiştir. R. Saidur ve ark. yaptıkları çalışmada kazan sistemine enerji ve ekserji analizini uygulamışlar. Kazan içinde, enerji ve ekserji verimleri, sırasıyla %72,46 ve% 24,89 olduğu tespit edilmiştir. Ekserji yıkımının büyük kısmı yanma odasında gerçekleşmiş ve onu ısı değiştirgeci takip etmiştir. Fan motor sisteminde değişken hızlı sürücü kullanılarak bacagazından ısı geri kazanımı için geri dönüş süresinin 1 yıl olduğu tespit edilmiştir. Kazanın genel enerji kullanımı 19,270.8 kJ / s ve ekserji kayıpları 10.320 kJ / s olarak bulunmuştur. Isı değiştirgecinde meydana gelen enerji kaybı % 22,5 ekserji kaybı% 52, baca gazı da % 9,2 ısı kaybına sebep olmuştur. Baca gazından ısı geri kazanım yönteminin kazanlarda enerji tasarrufunda en etkili yollarından biri olduğu belirtilmiştir. 11 2.2. Endüstriyel Fırınlar Fırın veya ocak, ısıtılmak üzere içine yerleştirilen malzemelerin sıcaklığını arttırmak için yakıtın kimyasal enerjisini veya elektrik enerjisini ısıya çeviren bir araçtır. Endüstriyel fırınlar, metalurjik üretimlerde, toprak sektörü üretimlerinde, metal sanayi, gıda sanayi gibi alanlarda ergitme, ısıl işlem, temperleme, pişirme, kurutma, fermantasyon amaçlı kullanılmaktadır. Sanayi tesislerine toplam enerji tüketimi içinde, önemli bir paya sahip endüstriyel fırınlara örnek olarak;  Emaye pişirme 600 °C – 1100 °C  Metallarin ısıl işlemleri 1100 °C  Haddeleme, ekstrüzyon, presleme gibi ısıl işlemler ve seramik malzemelerin pişirilmesi 1350 °C  Metallerin ergitme ve izabesi 1700 °C verilebilir. İçerisindeki sıcaklığın 650 °C’nin altında olan fırınlara ocakadı verilmekle birlikte fırın ile ocak arasında kati bir ayrım yapılmamaktadır. Endüstriyel fırınların bulunduğu proseslerde hammaddeden sonra en büyük girdi enerji maliyetidir. Yüksek sıcaklıkta çalışan fırınların önemli miktarda enerjisi faydalı enerjiye dönüştürülmeden kaybedilmektedir. Tipik bir fırının sankey diyagramına bakıldığında %30-40 civarında faydalı enerji oluşurken, geri kalan enerjinin büyük bölümü baca gazı, duvar kayıpları ve açıklar ile birlikte dışarı atılmaktadır. Sanayide ulaşılmak istenen enerji verimliliği hedefleri için endüstriyel fırınlar önemli bir potansiyel taşımaktadır. Endüstriyel fırınlarda, kayıpların minimize edilmesi ve ekonomik olarak geri kazanılması, endüstriyel tesislerde enerji verimliliği sağlayarak enerji maliyetlerinin azalmasına ve dolayısıyla işletmenin rekabet gücünün artmasına olanak sağlayacaktır. 12 2.3. Endüstriyel Fırınların Sınıflandırılması Endüstriyel fırınlar birçok açıdan sınıflandırılabilir. Yapılacak olan her sınıflandırmanın alt sınıfı olması da mümkündür. Bu yüzden bazen fırınlar özellikleri yönünden bir kaç sınıfa dahil olabilirken, bazen de sınıf dışı kalabilirler. Isı üretme metoduna göre elektrikli fırınlar ve yanma(yakıt kullanan) oluşan fırınlar olarak iki ana gruba ayrılabilirler. Elektrikli fırınlar, ark fırını veya indüksiyon fırını olarak çalışmaktadır. Elektrikli fırınlar ile ilgili detaylı bilgi 3.1.2 no’lu kısımda verilmiştir. Yakıt kullanılan fırınlar daha yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ancak elektriksel olarak ısıtılan fırınlar yakıt maliyeti açısından avantaj sağladıkları yerlerde kullanılırlar. (Trinks vd., 2004). Endüstriyel fırın sınıfı ne olursa olsun, kayıpları en az olacak şekilde ısıyı kullanması ve yapısının korozyon, erozyon gibi fırının veriminin ve ömrünü azaltacak etkenleri en az olacak şekilde çalışması beklenir. Bu yüzden endüstriyel fırın tasarımı çok önemlidir. Fırınların, en yüksek oranda ürüne, homojen şekilde ısının yayılmasını sağlayacak şekilde yapılması gerekmektedir. Ürünlerde istenilen kalitenin sağlanmasının yanında birim ürün başına harcanan enerjinin sürekli olarak kontrol altında tutulması gerekmektedir. Fırınların, belirlenen sürede mümkün olan en fazla materyali, tüm bölgede aynı sıcaklığın oluşacağı, bunu en az yakıt ve işçilikle sağlayacak şekilde tasarlanmaları enerji verimliliğinin sağlanması için ilk ve en önemli adımıdır. Bu durumun sağlanması için tasarım aşamasında aşağıdaki kriterlerin belirlenmesi gerekmektedir;  Malzemeye ne kadar ısı aktarılacağı,  Kayıplar ve kütlenin ısıtılması için gerekli olan ısı. Bu hususlar belirlendikten sonra, kayıpların ne kadar minimize edileceği, izolasyon malzemesi olarak ne kullanılacağı, fırın kütlesinin sıcaklığının nasıl dengeleneceği ile ilgili çalışmalar yapılmalıdır. 13 Genel olarak endüstriyel fırınların 4(dört) temel bileşeni bulunmaktadır;  Enerji Kaynağı Fosil kaynaklı yakıtlar ve elektrik enerjisi kullanılabilir.  Uygun refrakter malzeme Endüstriyel fırınlarda refrakter tasarımı çok önemlidir. Belirlenen ihtiyaçlar doğrultusunda fırının termal muhafazası sağlanmalı ve belirlenen yapıda inşa edilmelidir.  Isı Geri Kazanım Ekipmanı (ısı değiştirici) Günümüzde fosil yakıtların kullanıldığı fırınlarda açığa çıkan ısının tekrar kullanılması için ısı değiştiriciler artık fırının bir parçası olarak görülmektedir.  Fırın Kontrol Panosu Fırın kontrol panosu ile yanma ve sıcaklık gibi parametreler takip edilerek gerekli müdahaleler gerçekleştirilebilmektedir. Yakıt Kullanılan Fırınlar Yakıt kullanılan fırınlar genellikle, işlem görecek olan malzemeye göre, ısının malzemeye transfer ediliş şekline göre, fırın ateşleme yöntemine göre ve şarj şekline göre sınıflandırılabilmektedir. Yanma ve yakıtlar konusu bir sonraki bölümde anlatıldığı için yakıt kullanılan fırınlarda ayrıca yakıt türlerine değinilmemiştir. a)İşlem Görecek Malzemeye Göre Endüstriyel fırınlar, yapılacak olan işleme, sıcaklığına ve işlem yapılacak olan malzemeye göre tasarlanırlar ve isimlendirilirler. Örn. Alüminyum Ergitme Fırını. Aşağıdaki çizelgede, malzeme ismine ve yapılacak olan işleme uygun sıcaklık değerleri verilmiştir. 14 Çizelge 2.1. Malzeme ve işleme göre fırın sıcaklık değerleri Malzeme İşlem Sıcaklık - ºC Alüminyum Ergitme 1.200-1.400 Alüminyum Alaşım Tavlama 450-775 Alüminyum Alaşım Hadde için ısıtma 850 Pirinç Tavlama 600-1 000 Pirinç Haddeleme 1450 Pirinç Sinterleme 1 550-1 600 Kurabiye Pişirme 375-400 Bakır Ergitme 2 100-2 300 Bakır Döküm 2 100-2 600 Emaye-Organik Pişirme 250-450 Emaye-Camsı Emayeleme 1 200-1 800 Altın Ergitme 1 950-2 150 Demir-Döküm Temperleme 300-1 300 Demir Sinterleme 1 283-1 422 Kurşun Ergitme 620-750 Kurşun İzabe 2 200 Magnezyum Tavlama 550-850 Magnezyum Homejenleştirme 700-800 Çelik Tavlama 1 250-1 650 Çelik Dövme 1 700-2 150 Çelik Sinterleme 2 000-2 350 b)Isının Malzemeye Transfer Şekline Göre; Eğer yanma, ısıtma odasında gerçekleşiyor veya yanma ürünleri ısıtılan parçanın yüzeyinde dolaştırılıyorsa bu tip fırınlarda ısı direk olarak malzemeye iletilir. Bu tip fırınların birçoğunda ısıtılan parça yanma ürünlerinin teması ile zarar görmez. Isının dolaylı olarak iletildiği fırınlar, yanma ürünleri veya alevle temastan dolayı ikinci kaliteye düşen ürünler için kullanılırlar. Bu durumda, malzeme ya yakıcıların yanma 15 ürünleri ile dışarıdan ısıtılan bir alev gömleği içerisinde ya da alevi ve yanma ürünlerini çevreleyen ışıyan borular ile ısıtılmalıdır. 1.Baca, 2.Fırın yüzeyi, 3.Malzeme, 4.Hava girişi, 5.Gaz girişi, 6.Yanma odası Şekil 2.1. Mufla fırını c) Ateşleme Yöntemine Göre Fırın ateşlemesinin, malzemenin direkt olarak üzerine, üstten, alttan ve ya radyant tüpe yapılmış olmasına göre sınıflandırılır. Brülör Brülör Brülör Brülör Direk ateşleme Üstten ateşleme Alttan ateşleme Radyant tüple ateşleme Şekil 2.2. Fırın ateşleme yöntemleri Özellikle 650'C üzerinde ısı ihtiyaçlarında, fırın tasarımında, yakıtın ve yakıcının kontrolündeki sürekli olarak iyileştirmeler, direk ateşlemeli fırınların kullanımını 16 arttırmıştır. Üstten ateşlemelerde sıcaklık dağılımının çok iyi yapılabiliyor olması tercih sebeplerindendir. 400ºC ile 1 000 ºC arasındaki uygulamalarda, malzemenin alevden uzakta kalması nedeni ile alttan ateşlemeli fırınlar tercih edilebilmektedir. Ancak son zamanlarda, yanan gazların ortamdan temasının kesilmesi için, ısıya dayanıklı radyant tüplerin yatay olarak dizilmesi ya da fırın duvarlarına dikey olarak monte edilmesi ile fırın tasarımları görülmektedir. d)Şarj Şekline Göre Yığın fırınları, aynı zamanda çevrimsel fırın veya doldur-boşalt fırını olarak da adlandırılırlar. Malzememe manuel olarak yüklenirken, tek bir sıcaklık ayarı ile kontrol edilirler. İşlem sonunda kadar malzeme sabit durur. Muhafaza, oluk, hazne, gidiş-geliş, çan, asansör ve banyo gibi bölümleri bulunmaktadır. Çan ve asansör fırınları genelde silindiriktir (Trinks vd.2004). Araba tabanlı fırınlar raylar üzerinde çelik tekerlekleri olan hareketli bir hazneye sahip fırınlardır. Yük, hazneye yerleştirilir ve fırın içerisine hazne üzerinde alınır, hazne üzerinde ısıtılır ve hazne üzerinde fırından çıkarılır. Bu tür fırınlar ağır veya büyük yüklerin ısıtılmasında kullanılırlar (Trinks vd.2004). Sürekli fırınlar yükü fırın içerisinde ilerletirken aynı zamanda ısıtırlar. Malzeme hareketsiz bir haznenin üzerinden geçer veya haznenin kendisi hareket eder. Yatay düz hat fırınlar döner hazneli fırınlardan daha yaygındır (Trinks vd.2004). Döner hazneli veya döner tablalı fırınlar birçok amaç için kullanışlıdır. Yükler atlıkarınca şeklindeki hazneye yerleştirilir ve tam bir tur döndüğünde fırından çıkarılır. Bu tür fırınlar özellikle silindirik yükler için uygundur (Trinks vd.2004). Sürekli fırınlar, iş gücünü azaltırken prosesin durumuna göre yakıt kullanımı artar ve ya azalır. 17 Elektrikli Fırınlar Elektrikli fırınlar, ark fırını, direnç fırını veya indüksiyon fırını olarak çalışmaktadır. Çalıştırılmasının ve yönetilmesinin kolay olması, sıcaklığın ve ısı dağılımın hassas yapılması, herhangi bir baca gazı çıkışı olmadığından dolayı baca gazı kaybının olmaması avantajları arasında sayılabilir. Ancak yakıtın pahalı olması dezavantaj olarak göze çarpmaktadır. Günümüzde plazma ark, lazer, radyo frekansı, elektromanyetik ısıtma ve ya kombinasyonları ile ısıtma sağlanabilmektedir. a) Ark Fırınları Ark fırınları demir, çelik gibi metallerin eritme işlemlerinde metalleri cevherlerinden ayırmada kullanılır. Fırınların kapasitesi 150 kg ile 200 ton arasındadır. Sıcaklık 3000 ºC ye kadar çıkabilmektedir. Elektrik ark fırınları elektrot düzeni bakımından 3'e ayrılır. İndirekt Isıtmalı Ark Fırını: Elektrotların ucu açıkta ve karşılıklı konumlandırılır. Arada oluşan radyasyon ile metal ergitilir. Direkt Isıtmalı Ark Fırını: Elektrotlar metale yönlendirilmiştir ve ark, elektrotlar ile metal arasında oluşur. Örtülü Ark Fırını: Elektrotlar metalin içine gömülüdür. Elektrotlar bir iletken ile birbiriyle temas halindedir. Şekil 2.3. Elektrot düzen tipleri Ark fırınları tek fazlı yada üç fazlı olarak yapılabilir. Küçük fırınlarda çoğunlukla tek faz akım kullanılırken, büyük fırınlar üç fazlı akım kullanılır. Elektrotla metal arasında ark meydana gelmesi suretiyle fırın çalışır. Potadaki metal ise üç fazı yıldız şeklinde bağlanarak nötr noktasını oluşturur. 18 Fırının iç kısmı ateş tuğlası ile örülmüştür. Ergimiş metale temas eden kısımlar toz refrakter malzemenin su ile karıştırılarak elde edilen hamurun, gerekli form sağlandıktan sonra pişirilmesi ile astar şeklinde sıvanır. Aşınmanın sadece refrakter astarda olması nedeniyle, belirli sayıda eritme işleminden sonra yenilenmesi gerekmektedir. Büyük kapasiteli üç fazlı ark ergitme fırınlarında elektrotlar çoğunlukla tavana asılı şekildedir. Elektrotlar ve ergitilecek metal arasında direkt ark meydana gelir. Yükleme ve boşaltma yan cidarlardan karşılıklı olarak yapılmaktadır. Bu tip fırınlarda kapasite 200 ton, transformatör gücü ise 800 MVA kadardır. Bu tip fırınlarda grafit veya karbon elektrotlar kullanılır. Fırınların kapasitesine göre elektrotların çapı 5 cm ile 100 cm arasında değişir. Grafit elektrotlarda akım yoğunluğu, karbon elektrotlara göre üç kat daha fazladır. a b Şekil 2.4. a) Ark fırını kesit görünümü b) Grafit elektrotlar 19 b) Direnç Fırınları Özel olarak üretilmiş direnç tellerinden elektrik akımı geçirildiğinde, tellerin akıma karşı direnç göstermesiyle ısı enerjisi ortaya çıkar. Böylece fırın içerisindeki sıcaklık artmaya başlar. Fırın, metallerin ısıl işleminde, cam tavlamada ve camsı emaye pişirmede kullanılır. Direnç fırınları, yığın ve ya sürekli fırın olabilir. Yığın fırınları, kutu fırın, asansör fırın, raylı fırın ve ya çan tipi fırın olabilir. Sürekli fırınlar ise kemer konveyör fırınlar, zincir konveyör fırınlar, döner ocak fırınlar, makaralı ocak fırınlar şeklinde çeşitlere sahiptir. Standart direnç fırınları, 550 ºC ile 1 200 ºC arasında çalışmak için tasarlanmaktadır. Daha yüksek çalışma sıcaklıkları için özel tasarımlar yapılabilmektedir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği üzere standart bir direnç fırınında ısıtma haznesi, ısı yalıtımı sağlayan refrakter astar ile çevrelenmiştir. Dış çelik plaka mahfazanın seramik ve ya tuğla ile sarılması ile fırın formu verilmektedir. Kullanılacak olan ateş tuğlası, kil tuğla vb. yarı refrakter malzeme, fırının çalışma koşullarını uygun olarak seçilerek kalınlığı tespit edilir. Şekil 2.5. a) Direnç yan ve alt tarafta b) Direnç üst ve alt tarafta c) İndüksiyon Fırını İletken bir malzemenin değişken manyetik alan içinde bulunması neticesinde malzeme üzerinde potansiyel farkı oluşur, dolayısıyla elektrik akımı meydana gelir. Bu prensipten yararlanarak metal ısıtma işlemini gerçekleştiren fırınlar, indüksiyon fırınları olarak isimlendirilir. 20 İndüksiyon ocağının ana donanımını pota, sabit haznenin etrafında bulunan indüksiyon bobini ve ocağın içerisindeki metal oluşturmaktadır. Pota dışındaki indüksiyon bobininden geçirilen alternatif akım marifetiyle sürekli yön değiştiren alanlar oluşturulur. Malzemenin öz direnci marifetiyle bu alanlar ısı enerjisini oluşturur. Temel olarak iki tip indüksiyon ocaklarından/fırınlarından bahsedilebilir. Çekirdeksiz tip(nüvesiz) fırınlar, pota, bakır sargı ve potanın devrilip dökülmesi için bir çerçeveden oluşmaktadır. Şekil 2.6. Çekirdeksiz fırınlar Özel olarak tasarlanmış endüksiyon bobini birinci transformatör olarak görev yapar. Endüksiyon ocakları, çekirdeksiz ve çekirdekli (kanallı) olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Her iki ocakta da metali normal bir transformatörün birincil sargısı olarak düşünülebilecek elektrik bobini çevreler. Bu bobinden geçen alternatif akım, ikincil sargı olarak düşünülebilecek iletken metal içinde girdap akımları endükleyerek ısının açığa çıkmasına neden olur. Isı, doğrudan doğruya eritilecek metal içinde ortaya çıktığından, çok temiz ve hızlı bir eritme gerçekleşir. Erimiş metalde oluşan akımlar, metal banyosunda bir karışma hareketi de sağlar. Bu ocaklar çelik, dökme demir, alüminyum alaşımları gibi değişik metallerin eritilmesinde kullanılabilirler(Aran 2007) 21 Çekirdeksiz tip endüksiyon ocağında potanın etrafı su ile soğutulan bakır borudan yapılmış bir bobin ile çevrilidir. Çekirdekli veya kanallı tipte ise sıvı metal, primer sargının çekirdeği çevresinde bir kanal oluşturur. Bu ocakların güçleri daha düşük, elektriksel verimleri ise daha yüksektir. Kanallı endüksiyon ocaklarında çalışmaya ilk başlarken kanalı dolduracak kadar bir sıvı metalin doldurulması gerekir. Bu tip ocaklar genellikle eritme için değil, bekletme ve aşırı ısıtma gibi işlerde tercih edilirler (Aran 2007). Çekirdeksiz indüksiyon ocakları potaya benzemektedir. Ocağın içi ateşe dayanıklı tuğla ile örtülmüş reflektör malzemelerle kaplanmaktadır. Sonrasında 1 700°C ye kadar ısıtılarak sinterlenir. Astar yenilenmesi belirli aralıklarda yapılır. Katı şarj yapılmayıp, metalin ocağa sıvı halde alınarak, katılaşmadan uzun süre tutulması ve gerekli alaşım kontrolünün yapılması sağlanmaktadır. Bu ocağa çekirdeksiz denmesinin sebebi, ocak içinde sıvı metali çekirdek olarak tutma zorluğundan dolayıdır. İndüksiyon ocakları frekansa göre de sınıflandırılır;  Hat frekanslı indüksiyon ocakları; 50 Hz  Düşük frekanslı indüksiyon ocakları; 50-150 Hz  Orta frekanslı indüksiyon ocakları; 150-600 Hz  Yüksek frekanslı indüksiyon ocakları; 600 Hz üzeri Orta ve daha düşük frekanslı ocaklar, tutma (sıvı mâdeni bekletme ve alaşım ayarlama) ocağı olarak kullanılır. Yüksek frekanslı ocaklar ise ilk ergitme ocağı olarak kullanılmaktadır. Ergitme süresinin çok kısa olması bu ocakların önemli özelliğidir. 22 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Materyal 3.1.1. Emaye Pişirme Fırını Isıtma sektöründe faaliyet gösteren, ülkemizin önde gelen firmalarından biri olan işletmede kullanılan emaye pişirme fırınında çalışma yapılmıştır. Öncelikle çalışma yapılan fırının kullanım amacı, işletme için önemi ve yapılan verimlilik arttırıcı projenin gerekçeleri anlatılmıştır. Sonrasında ise, emaye pişirme fırınında verimlilik arttırıcı proje öncesi ve sonrasında enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Çalışma sonunda yapılan verimlilik arttırıcı proje sonuçları tartışılarak, fırınlar açısından verimlilik arttırıcı projeler değerlendirilmiştir. İşletme, ısıtma alanında; kombi, yoğuşmalı kombi, yer tipi kazan, kat kaloriferi, su ısıtıcıları ve su teknolojileri alanında ise; termosifon, termoboyler, gazlı şofben, boylerler vb. ürünleri için yarı mamül olarak ürettiği sıcak su tanklarının içine emaye uygulamaktadır. Dünyanın en eski kaplama malzemesi olan emaye, metal malzemelerin kaplanmasında kullanılan, ısısal genleşme katsayısı bakımında ona uyum sağlayan ve düşük sıcaklıklarda eriyebilen bir frittir. Emayeleme işlemi, metalik parça yüzeyini dış etkilerden korumak amacıyla yapılır. Aynı zamanda metale estetik bir görünüm kazandırır. Emayelemenin faydaları aşağıdaki gibi sıralanabilir;  Metalik parça da pürüzsüz yüzey oluşturulması,  Çizilmeye ve aşınmaya karşı sert bir yüzey oluşturma,  Koku ve tat vermeyen sağlıklı bir yüzey oluşturma,  Metalik parçanın toksik etki göstermemesi,  Metalik yüzeylerde bakteri oluşumunun engellenmesi  Isı değişikliklerine ve aşınmalara karşı dayanıklı parça oluşturma,  Asit ve alkali gibi kimyasal tesirlere karşı dayanıklı bir yüzey oluşturma,  Metallik parçalarda zamanla renk değişimlerinin engellenmesi,  Zamanla özelliğini kaybetmeyen bir yüzey oluşturma, 23  Korozatif etmenlere karşı direnç sağlama, İşletmede sıcak su tankları metal şekillendirme, kaynak, yağ alma ve temizleme proseslerinden geçerek emayeleme ve emaye kurutma işlemlerine tabi tutulur. Sonrasında çeşitli ebatlarına göre farklı sayılarda tank ve boyler, fırına alınarak 860 °C' de emayenin pişirilmesi sağlanmaktadır. Çizelge 3.1’de uygulanan emaye kalınlıkları görülmektedir. Enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilirken tüm çalışmalar 1 000 lt'lik boyler pişirme prosesine göre gerçekleştirilmiştir. Çizelge 3.1. Uygulanan emaye kalınlıkları Ürün Modeli Alt Bölme Gövde Üst Bölme 80-200 lt Boyler 150-500 mikron 150-500 mikron 300-800 mikron 300-1000 lt Boyler 300-1000 mikron 150-500 mikron 150-500 mikron 15-100 lt Termosifon 200-600 mikron 150-500 mikron 150-500 mikron İşletmede emaye hattı, enerji yönetim sistemi doğrultusunda önemli enerji tüketici olarak belirlenmiştir. O yüzden emaye hattının enerji tüketiminin verimli kullanılması ve birim ürün başına enerji tüketiminin azaltılması, işletmenin doğrudan enerji performansını etkileyecektir. Aşağıdaki şekilde işletme emaye hattı planı görülmektedir. Kaynak prosesi sonrası ürünler, banyoda gerekli kimyasallara tabi tutulmaktadır. Bu işlem için bir kazan vasıtası ile banyolar için su ısıtma işlemi gerçekleştirilmektedir. Suyun ısıtılması için bir kazan doğalgaz tüketmektedir. Banyo temizleme işlemleri sonrası sırasıyla emayeleme ve emaye kurutma işlemi gerçekleşmektedir. Emaye kurutma işlemi sonrası, tank ve boylerler ebatlarına ve 24 üretim planlamasına göre tünel fırına ve ya kutu fırına sevk edilerek, emaye pişirme işlemi gerçekleştirilmektedir. Fırınlar da aynı şekilde doğalgaz tüketmektedir. Şekil 3.1. Proses şeması Proses bilgileri sonrasında, emaye pişirme kutu fırında çeşitli ölçüm ve analiz çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Aşağıdaki fırın termal çekimleri verilmiştir. Termal kamera çekimleri birçok noktadan yapılarak ortalama sıcaklık değerleri üzerinde hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Ölçümler ayrıca dokunmatik proplar ile de doğrulanmıştır. 25 Şekil 3.2. Termal kamera görünümleri Emaye pişirme kutu fırın doğalgaz sayacında 15 dk.’lık ölçümler alınmıştır. İlk devreye girme ve rejim anında fırın bir proseste ortalama 45 m3/h yakıt tükettiği tespit edilmiştir. Aynı zamanda fırın baca gazı analizi gerçekleştirilmiştir. 860ºC sıcaklığa ihtiyacı olan 26 prosesin, baca gazı çıkış sıcaklığı 680ºC civarında tespit edilmiştir. CO2 oranı %6, CO 10 ppm ve O2 oranı %11 civarında tespit edilmiştir. Şekil 3.3. Baca gazı analizi 3.1.2. Fırınlarda Enerji Verimliliği Aşağıda standart bir fırın enerji denkliği verilmiştir. Bu denklik çerçevesinde oluşan kayıpların detayları ve çalışma yapılan fırının bu kayıplar ile ilgili durum tespiti yapılmıştır. Sonrasında ise yapılan etüt çalışması sonrası emaye pişirme fırınında uygulanan projeler detaylı olarak ele alınmıştır. Şekil 3.4. Fırın sankey diyagramı 27 3.1.2.1. Enerji Kayıpları a. Hava-Yakıt Oranı Fırınlarda yanma sistemi, yanma problemlerine neden olmayacak minimum hava yakıt oranı ayarlanarak en uygun hale getirilmelidir. Fazla hava miktarı, gerektiğinden fazla olursa baca gazı miktarı artar. Artış miktarı kadar hava, baca gazı sıcaklığına kadar ısınıp enerji alacağından bu enerjinin bacadan atılmasına neden olur. Ayrıca baca gazı miktarının artması gaz debisinin, dolayısıyla hızının artmasına ve ısı transfer oranının düşmesine neden olmaktadır. Bundan dolayı fazla hava miktarı mümkün olan en düşük seviyede tutulmalıdır. Bunun sağlanması için baca gazındaki O2 seviyesi kontrol edilmeli, hava ayarı yapılarak oksijen miktarı mümkün olan en düşük seviyeye getirilmelidir (Kaya and Eyidoğan, 2010). Aşağıdaki şekilde doğalgaz için hazırlanan teorik hava eğrisi görülmektedir. λ değerinin 1,1-1,15 aralığında (Şekil 3.5) olması optimum değer olarak görülmektedir. Mevcut fırında yapılan ölçüm çalışmasında. λ değeri 1,93 olarak ölçülmüştür. Optimum değerden yüksek hava oranı genellikle ideal değerden fazla yanma havası temini ile veya aşırı baca çekişi ile ortaya çıkar. Bu durum da baca gazı sıcaklığının artmasına ve önemli oranlarda verim kaybına yol açar. Şekil 3.5. Optimum çalışma grafiği 28 b. Baca Gazı Sıcaklığı Fırın verimini etkileyen önemli faktörlerden birisi de baca gazı sıcaklığıdır. Baca gazı sıcaklığının kabul edilen değerlerin üzerinde olması halinde bacadan atmosfere fazla enerji atılmış olacaktır. Bu da fırın veriminin düşmesine neden olmaktadır. Baca gazı sıcaklığı ısı geri kazanımlarında yoğuşma vb. problemleri engellemek için 130º C civarına düşürülecek şekilde hesaplamaları yapılmaktadır. Yapılan ölçümlerde 2,3 m/sn hız ve 0,4 m yarıçapa sahip olan bacadaki, gaz debisi 1 544 Nm³/h olarak tespit edilmiştir. 680 ºC baca sıcaklığı doğrultusunda yapılan hesaplamalara göre kazanılacak ısı miktarı; 𝑄 = 𝑉𝑏𝑔 ∗ 𝑐𝑝 ∗ (𝑇𝑔−𝑇ç) 𝑄 = 1.544 ∗ 0,2948 ∗ (680 − 130) = 250.344 𝑘𝑐𝑎𝑙 'dir. Burada Q kazanılacak ısı miktarını (kcal), 𝑐𝑝 havanın özgül ısısını (kJ/kg·K) , 𝑇𝑔 mevcut baca gazı sıcaklığını (oC) ve 𝑇ç baca gazının çekilmesi gereken sıcaklığını ( oC) temsil etmektedir. Ortaya çıkan ısı kazancının ortalama sıcaklık değerleri, reküperatör verimi gibi hususlar göz önünde bulundurulduğunda yaklaşık %70 oranında kullanılabileceği düşünüldüğünde saatlik yaklaşık 175 000 kcal kazanç olacağı değerlendirilmektedir. 175 000 kcal 'nin yaklaşık mali değerine bakıldığında, 1 m3doğalgazın üst ısıl değerinin 9 150 kcal/Sm³ olduğu göz önünde bulundurulursa, emaye pişirme fırınının saatlik 19 m3 doğalgaz tasarruf potansiyeli olduğu görülmektedir. Baca gazlan, reküperatörden geçirilerek ısısını, yakma havasına vermesi durumunda her 20 ºC ' de fırın veriminin %1 arttığı bilinmektedir. Baca gazı sıcaklığının 550 ºC 'lik sıcaklık farkını kullanacağı düşünüldüğünde %27 oranında bir verim artışı olacağı görülmektedir. Saatte 60 Sm³ doğalgaz yakan fırın için yapılan her iki hesaplamaya da bakıldığında önemli bir potansiyelin olduğu görülmektedir. Ancak gerçekleştirilen verimlilik projesi öncelikle atık baca gazı sıcaklığını en aza indirgemek için yakıt sisteminin değiştirilmesi, izolasyon kayıplarının azaltılması gibi 29 daha sürdürülebilir çözümler ortaya konulmuştur böylelikle ekserji veriminin artması sağlanmıştır. c. Duvar Kayıpları Duvar kayıpları; ısının fırın duvarları, tavanı ve tabanından önce iletim, daha sonra ise taşınım ve radyasyon ile kaybedilmesi sonucu meydana gelmektedir. Isı, fırının dış yüzeyine ulaştığında çevreye yayılır veya hava akımları yoluyla kaybedilir. Modern fırınlar çok iyi yalıtılmış olmasına rağmen konveksiyon ve radyasyon yoluyla ısı kayıpları fırın verimliliği üzerinde önemli derecede etkili olmaktadır. Fırın yüzey sıcaklığını çoğunlukla 50 °C ‘ de tutacak şekilde yapılmış bir yalıtım, bu tür kayıpları en aza indirmek açısından yeterli ve uygun olarak görülmektedir. Aşağıdaki çizelgede duvar alanları ve elde edilen yüzey sıcaklıkları verilmiştir. Çizelge 3.2. Yüzey alanları ve sıcaklıkları Ortalama Yüzey Ortam Alan Sıcaklığı Sıcaklığı Yüzey m2 °C °C Sağ Yan Yüzey 11 90 25 Sol Yan Yüzey 11 120 25 Üst 12,5 100 25 Ön 5,5 60 25 Arka 5,5 120 25 Çizelgedeki verilerde görüldüğü üzere uygulama öncesi fırın yüzey sıcaklıkları ortam sıcaklığına göre oldukça yüksek görülmektedir. Bu durum fırın yüzeylerinden konveksiyon ve radyasyon yoluyla ısı kaybına yol açmaktadır. Aşağıdaki denklem de fırın yüzeylerinden oluşan toplam ısı kaybını göstermektedir. 𝑄 = (𝑄𝑟 + 𝑄𝑘) ( kj/h ) (3.1) Burada Qr radyasyon ile olan toplam ısı kaybını, Qk konveksiyon ile olan toplam ısı kaybını belirtmektedir. Radyasyon yoluyla oluşan kayıp yüzeyin yayınım katsayısıyla ve yüzey sıcaklığıyla ilintilidir. Bu bağıntı fırın yüzey alanı ile çarpılarak, radyasyon yolu ile fırında oluşan kayıp tespit edilmektedir. Radyasyon yolu ile oluşan ısı kaybını (3.2) nolu denklem ile hesaplanmaktadır. 30 4 𝑄𝑟 = 𝜀 ∗ 𝜎 ∗ [(273 + 𝑇 ) − (273 + 𝑇 ) 4 𝑦 𝑜 ] ∗ 𝐴 (kJ / m 2 h) (3.2) Bu ifadede ε yüzey yayınım katsayısı, σ Stefan-Boltzman sabiti, Ty yüzey sıcaklığı ve A fırın yüzey alanıdır. 𝑄𝑘 = 𝐵𝑦 ∗ (𝑇 − 𝑇 2 𝑦 𝑜 )¹´²⁵*A ( kJ / m h ) (3.3) Konveksiyon yoluyla meydana gelen ısı kaybına bakıldığında, kayıp enerji sadece yüzey sıcaklığı ile değil aynı zamanda fırın geometrisi ve konveksiyon yönü göz önünde tutularak seçilen bir By parametresi ile modellenmektedir. Yukarıdaki bilgiler ve Çizelge 3.2’de belirtilen veriler doğrultusunda elde edilen sonuçlar ile Çizelge 3.3 oluşturulmuştur. By parametresi MMO odası tarafından fırın yüzey durumuna göre ve ısı kaybı yönüne göre aşağıdaki şekilde belirlenmiştir. Çizelge 3.3. By parametresi Yatay yüzeyler ve Yukarı Yönde Isı Kaybı 6,12 Dikey yüzeyler ve Yatay Yönde Isı Kaybı 5,22 Yatay yüzeyler ve Aşağı Yönde Isı Kaybı 3,58 Çizelge 3.4. Elde edilen sonuçlar Alan Qr Qk Qtoplam Yüzey 2 By m ( kJ / m2 h ) ( kJ / m2 h ) ( kJ / h ) Sağ Yan 11 1 735,168 5,22 1 1056,922 8 600,36 Yüzey Sol Yan 11 2 62,326 5,22 1 650,709 6 692,35 Yüzey Üst 12,5 2 081,369 6,12 1 464,246 11 458,16 Ön 5,5 855,396 5,22 525,104 2 444,10 Arka 5,5 2 862,326 5,22 1 650,709 5 298,77 Toplam 157 090,993 31 d. Açıklık Kayıpları Fırınlarda gözlem deliklerinden, açık kalan kapı aralıklarından, ateşleme deliklerinden ve benzer aralıklardan radyasyonla ısı kaybı olur. Ayrıca şarj ve deşarj kapaklarının açılıp kapanması sırasında da önemli ölçüde ısı kaybedilir. Bu durumda sıcak gazlar dışarı çıkarken soğuk hava fırın içerisine girer. Soğuk havanın içeri girmesinden kaynaklanan ısı kaybı sıcak gazınkinden daha fazladır (Trinks et al. 2004). Şekil 3.6. Fırın ön görünüm Çalışma yapılan fırında ürün giriş kısmında ve ürün çıkış kısmında bulunan kapılar açıldıktan sonra belirli bir mesafede tünel içinde ilerlemektedir. Bu durum hem ısı kaybını azaltmakta, hem de iş güvenliği açısından 860º C civarında çıkan malzemenin dış ortama ulaşıncaya kadar soğuması sağlanmaktadır. Çalışmada kapıların açılması ve kapanması arasında geçen sürede oluşan kayıp, diğer kayıplar içerisinde değerlendirilmiştir. 32 3.2. Yöntem 3.2.1. Sanayi Fırınlarında Enerji Ve Ekserji Analizi Geçen yüzyıllarda birçok tersinmez sanayi prosesinin enerji verimliliklerinin tespitinde termodinamik analiz büyük oranda kullanılmıştır. Enerji analizi, enerjinin korunumu kanunu olarak bilinen termodinamiğin birinci kanununa dayandırılır. Birçok araştırmacı, bir prosesin geleneksel enerji analizinden başka bir de ekserji analizinin gerçekleştirilmesi ile enerji hesabının yapılabileceğini iddia etmişlerdir. Enerjinin verimli kullanılması gerekliliği, araştırmacıların ekserji analizi çalışmalarına yoğunlaşmalarını sağlamıştır. Bu durum ile birlikte kullanılabilirlik, termodinamiğin ikinci kanun analizi, kayıp iş, vb. kavramlar üzerinde yapılan çalışma sayıları artmıştır. Termodinamik sistemlerin analizinde sistem sınırlarını belirlemek çok önemlidir, belirlenen sistem sınırına göre, sistem kapalı sistem veya açık sistem olarak incelenebilmektedir. Sistem sınırlarının uygun bir şekilde seçilmesi hesapların basitleştirilmesini sağlamaktadır. Temel olarak, sistem sınırları içerisinden sistem içine veya dışına kütle transferi oluyorsa sistem, "açık sistem" olarak tanımlanır, olmuyorsa sistem "kapalı sistem" olarak tanımlanmaktadır. Termodinamik yasaları çerçevesinde, sanayi fırınları sürekli akışlı açık sistemler olarak enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilerek verimlilikleri tespit edilir. 3.2.1.1. Enerji Analizleri Enerji analizleri termodinamiğin birinci yasası veya enerjinin korunumu ilkesine göre yapılmaktadır. Birinci yasaya göre sistemle çevrenin etkileşimi sırasında, sistemin kazandığı enerji, çevresinin kaybettiği enerjiye eşit olması gerekmektedir. Termodinamiğin birinci yasanın en önemli sonuçlarından biri toplam enerji E adıverilen özelliğin varlığının ortaya konması ve tanımının yapılmasıdır. Kapalı bir sistemin belirli iki hal arasındaki tüm adyabatik hal değişimleri için net işin aynı olması, net işin sadece ilk ve son hallere bağlı olduğunu, bu nedenle de sistemin bir özelliğindeki değişimle ilişkili olması gerektiğini göstermektedir. Bu özellik toplam enerjidir. Birinci yasa 33 sadece, adyabatik bir hal değişimi sırasında, sistemin toplam enerji değişiminin net işe eşit olduğunu belirtmektedir (Çengel ve Boles 2011). Aynı zamanda, sistemle çevre arasında iş etkileşimlerinin olmadığı durumlarda, kapalı sistemin bir hal değişimi sırasındaki toplam enerji değişimi, sistemle çevresi arasındaki net ısı geçişine eşittir. Bu tanımlama aşağıda matematiksel anlatımla ifade edilmiştir. W = 0 olması durumunda Q = ΔE Kapalı bir sistemde adyabatik hal değişimi sırasında yapılan iş, sistemin toplam enerji değişimine eşittir. Q = 0 olması durumunda -W = ΔE Bu bilgiler doğrultusunda, belirli sınırlar içinde bulunan sabit bir kütle için enerjinin korunumu ilkesi aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Sisteme ve ya sistemden ( ) = (Sistemin toplam enerjisindeki net değişim) ısı ve ya iş olarak net enerji geçişi 𝑄 − 𝑊 = Δ𝐸 ( kW ) (3.4) Sürekli Akışlı Açık Sistemler Sürekli akışlı açık sistemlerde, akışkanın kontrol hacminden sürekli bir akışı vardır ve akışkanın özelikleri kontrol hacmi içinde bir noktadan diğer bir noktaya farklılıklar gösterdiği halde verilen bir noktada zamanla değişmez (sürekli; zamanla değişmeyen). Kontrol hacmi içinde, kapasite veya şiddet özeliklerinden hiçbiri zamanla değişmez. Dolayısıyla kontrol hacminin kütlesi m, hacmi V ve toplam enerjisi, E, sürekli akışlı açık sistemde sabittir. Kontrol hacmine giren toplam kütle ve enerji, çıkan toplam kütle ve enerjiye eşit olmak zorundadır. Kontrol hacminin sınırlarındaki hiçbir özelik zamanla değişmediğinden, giren ve çıkan akışkanın özelikleri zamana göre sabittir. Kontrol hacminin herhangi bir noktasında tüm özelikler zamana göre değişmediğinden sürekli akışlı açık sistemin herhangi bir giriş veya çıkış kesitindeki kütle debisi de sabittir (Çengel ve Boles 2011). 34 Şekil 3.7. Sürekli akış kütlenin korunumu diyagramı Sürekli akışlı açık sistemin çevresiyle ısı ve iş etkileşimleri zamanla değişmediğinden, sistemin çevresiyle birim zamanda yaptığı iş veya ısı alışverişi sabittir. Kütlenin Korunumu Sürekli akışlı açık sistemlerde, kontrol hacmi içindeki toplam kütle zamanla değişmez (mKH = sbt) Bu sistemlerde birim zaman süresince sisteme giren veya çıkan kütleden çok, birim zamanda akan kütle veya kütlesel debi önem kazanır. Birçok giriş ve çıkışı olan genel bir sürekli akışlı açık sistem için kütlenin korunumu ilkesi aşağıdaki gibi yazılır; Birim zamanda ( ′ ) = (Birim zamanda KH ′den çıkan toplam kütle) KH ne giren toplam kütle ∑ṁg = ∑ṁç ( kg/s ) (3.5) Enerjinin Korunumu Sürekli akışlı açık sitemlerde, kontrol hacminin toplam enerjisi sabit olduğundan (ΔEKH = 0), bu sistemlerde kontrol hacmine ısı, iş veya kütle akışı ile giren enerji, çıkıştaki enerjiye eşit olmak zorundadır. Sürekli akışlı açık sistem için termodinamiğin birinci yasası veya enerjinin korunumu ilkesi aşağıdaki gibi yazılabilir; 35 Birim zamanda ( sistem sınırlarından ) ısı ve iş olarak geçen toplam enerji Birim zamanda = (kütle ile birlikte KH′den çıkan) toplam enerji Birim zamanda − (kütle ile birlikte KH′ne giren ) toplam enerji Q – W = ∑ mç θç − ∑ mg θg ( kW ) (3.6) Akışkanın birim kütlesinin toplam enerjisi, θ=h+ke+pe olduğundan, açık sistemlerde birinci kanun ifadesinin en genel hali; 1 2 1 𝜕𝐸∑𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ?̇? (ℎ + 𝑣 + 𝑔𝑧) − ∑ ?̇? (ℎ + 𝑣 2 + 𝑔𝑧) + 𝑄 − 𝑊 = ( kW ) (3.7) 2 2 𝜕𝑡 şeklindedir. Bu eşitliğin sol tarafı kontrol hacmi içindeki enerji transferini, sağ taraf ise kontrol hacmi içindeki enerji miktarı değişimini ifade eder. Sürekli akışlı sürekli açık sistemlerde kontrol hacmi içerisindeki enerji miktarı değişimi sıfırdır. Buna göre, sürekli akışlı sürekli açık sistemler için termodinamiğin birinci kanunu (3.8) nolu denklemde gösterilmiştir (Çengel ve Boles 2011). 1 2 1∑𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ?̇? (ℎ + 𝑣 + 𝑔𝑧) − ∑ ?̇? (ℎ + 𝑣 2 + 𝑔𝑧) + 𝑄 − 𝑊 = 0 (3.8) 2 2 3.2.1.2. Ekserji Analizi Ekserji; bir sistemin termodinamik sürecinde, referans alınan çevreyle denge haline gelirken, sistemde madde veya enerji akışıyla üretilebilecek maksimum miktarda iş olarak tanımlanmaktadır (Özgener ve Hepbaşlı 2003). Bir sistemin ekserjisinden bahsedebilmek için, çevrenin mutlak tanımlanması gerekmektedir. Ekserji, gerçekte tamamen kararlı dengede olmayan sistemlerde, referans alınan çevreye göre, akış ya da sistemin gerçek enerji potansiyelinin bir ölçüsüdür (Dinçer ve Rosen 2005). Ekserji, termodinamik bir sistemin ihtiva ettiği potansiyel enerjisinin, herhangi bir referans haline göre kullanılabilirliğinin bir göstergesi olup, tersinir bir süreç sonucunda sistem çevre ile denge sağladığı takdirde, oluşan entropi sonucu kullanılamaz hale gelen enerji düşüldükten sonra, teorik olarak elde edilebilecek maksimum faydalı iş miktarı olarak da tanımlanabilir. Termodinamik bakış açısından ekserji, bir sistemin referans çevre ile 36 denge haline gelirken, enerji akışıyla üretilebilecek maksimum miktarda iş olarak tanımlanır. Enerjiden farklı olarak ekserjinin korunumu durumu yoktur. Enerji, bir proseste her koşulda korunabilirken, ekserji ise sadece tersinir proseslerde korunabilmekte ancak gerçek proseslerde tersinmezlikler nedeniyle tüketilmektedir. Bir enerji türünün ne kadarının işe yarayan enerji olduğunun belirlenebilmesi için ekserjinin bilinmesi gereklidir. Diğer enerji türlerine dönüştürülebilen enerjiye kullanılabilir enerji veya ekserji adı verilir, diğer enerji türlerine dönüştürülmesi imkânsız olan enerji ise kullanılamaz enerji ya da anerji diye tanımlanır. Birbiri ile etkileşim halindeki farklı iki sistemden her zaman yararlı iş elde etmek mümkündür. Prensip olarak, bu iki sistem kendi aralarında denge konumuna kadar iş üretirler. Sistemlerden bir tanesi çevre diye adlandırılan ideal sistem, diğeri de bununla etkileşim halinde bir sistem olursa, sistemler dengeye gelinceye kadar elde edilebilecek teorik yararlı maksimum işe ekserji denilir. Bir başka deyişle, çevre şartlarından belirli bir şarta sistemi getirebilmek için gerekli minimum teorik yararlı işe ekserji denilmektedir (Bejan ve ark. 1995). Ekserji analizi verimlilik çalışmalarında bize en doğru ve sağlıklı yöntemdir. Ekserji analizi ile belirli bir çıktı için ihtiyaç olan enerjinin tespit edilmesini sağlayan enerji akışını net olarak tespit edilebilir. Şekil 3.8. Enerji-Ekonomi-Ekoloji ilişkisinin ekserji analizi ilişkisi Niceliğin ölçüldüğü enerji analizleri sonuçları; sistemlerin verimliliklerinin değerlendirilmesinde yeterli değildir. Çünkü ısıl sistemlerde gerek duyulan enerji kullanılabilir enerjidir. Bu nedenlerle; verimlilik analizleri; önemli bir parametre olan 37 çevre şartlarının da göz önüne alındığı termodinamiğin ikinci yasasına göre yapılmalıdır (Dinçer ve Rosen 2005) (Söğüt 2009). Enerjiden farklı olarak ekserji, gerçek sistemlerde tersinmezlikler nedeniyle tüketilir veya yok edilir. Bir sistemde ekserji tüketimi tersinmezlikler nedeniyle ortaya çıkan entropiyle orantılıdır. Termodinamiğin ikinci yasasına göre sistemlerde yapılan ekserji analizlerinin sonuçları; bir sistemde enerji tüketen bölümlere daha fazla duyarlılık gösterilmesini sağlamak için göz önüne alınmaktadır ( Keenan ), ( Wall ve Cong 2001). Bu nedenle ekserji analizleri, sistemlerin enerjiye dayalı verimsizliklerini azaltmaya ve daha verimli sistemleri tasarlamaya yönelik değerlendirmeler için önemli bilgiler içerir. Bu durum ekserji analizlerinin önemini ortaya koymaktadır. Sistemlerde enerji tüketim ve maliyet verilerine yönelik yapılan bu analizlerin değerlendirilmesi sonucunda, sistemlerin iyileştirilmesi için eksergoekonomik optimizasyon gerçekleştirilmelidir. Eksergoekonomik optimizasyonun amacı; termodinamik analizlerle (enerji ve ekserji analizleri) ortaya çıkan ve sistemin verimi olumsuz etkileyen etkenlerin giderilerek, ekserjetik verimin yükseltilmesi ve sisteme ait maliyetlerin (ürün, yakıt, tasarım vb.) minimum seviyeye düşürülmesidir (Şenel 2003). Ekserji Bileşenleri II. Kanun göre; tersinir süreçlerde ekserji sabit kalır, tersinmez süreçlerde ise ekserji tüketilir ve tüketilen ekserjinin bir kısmı veya tamamı anerjiye dönüşür. Bu durumda, termodinamik süreçlerde ekserji (3.9) nolu matematiksel bağıntı ile ifade edilir. 𝐸𝑥 = 𝐸𝑥𝑘𝑖𝑛. + 𝐸𝑥𝑝𝑜𝑡. + 𝐸𝑥𝑓𝑖𝑧. + 𝐸𝑥𝑘𝑖𝑚. ( kW ) (3.9) Bu bağıntıda Exkin. , Expot., Exfiz., Exkim. sırasıyla kinetik, potansiyel, fiziksel ve kimyasal ekserjileri tanımlar (Shukuya, Hammache 2002). Kinetik, potansiyel ve fiziksel ekserji literatürde termomekanik ekserji olarak özetlenir. (3.10) nolu denklemde gösterildiği üzere birim kütle başına ekserji belirtilen dört ekserji miktarınıntoplanması ile elde edilir. 38 𝑒 𝑥 = 𝑒 𝑘𝑖𝑛. + 𝑒 𝑝𝑜𝑡. + 𝑒 𝑓𝑖𝑧. + 𝑒 𝑘𝑖𝑚. ( kW ) (3.10) Sistemin kinetik ve potansiyel enerjisinin tamamının işe dönüşebilmesi durumunda aşağıdaki eşitlikler yazılabilir. Bu durum ekserjinin çevreyle ilişik olması durumunda geçerlidir. 𝑒𝑘𝑖𝑛. = 0,5𝑉2 (3.11) 𝑒𝑝𝑜𝑡. = 𝑔𝑧 (3.12) Burada V hız, z ise çevreden olan yükseklik farkıdır. Sistem ve çevrenin aynı şartlarda olduğu düşünülürse; 𝐸𝑥 𝑘𝑖𝑛. = 0 ve 𝐸𝑥 𝑝𝑜𝑡. = 0 olur. Bu durumda fiziksel ekserji en yüksek düzeyde elde edilebilir. Benzer şekilde, T sıcaklığında ve P basıncındaki sistem, T0 sıcaklığında ve P0 basıncındaki çevreyle etkileşim neticesinde teorik maksimum kimyasal iş elde edilebilir. Böylelikle sistem sınırlı denge halinden denge haline geçer (Hepbaşlı ve Utlu, 2007). Fiziksel Ekserji Fiziksel ekserji sürekli akışlı açık tersinir sistemlerde, çevre basıncı (P0) ve sıcaklığında (T0), sürece etki eden madde veya cisimlerden elde edilebilen maksimum iş olarak adlandırılır. Verilen herhangi bir durum için sistemin fiziksel ekserjisi entalpi ve entropi parametrelerinin çevreye bağlı fonksiyonu olarak da tanımlanabilir (Wall 1986). Herhangi bir durumda sistemin fiziksel ekserjisi aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır. Ė𝑥𝑓𝑖𝑧 = (𝐻 − 𝐻0) − 𝑇0(𝑆 − 𝑆0) (3.13) dir. Burada H entalpiyi ve S entropiyi ifade etmektedir. Fiziksel ekserji mekanik harekette ısı ve basınç bileşenlerine bağlı olarak üretilen iş şeklinde ifade edilebilir. Fiziksel ekserji aşağıda gösterildiği gibi iki bileşenden oluşmaktadır. Ė𝑥𝑓𝑖𝑧 = Ė𝑥∆𝑇 + Ė𝑥∆𝑃 (3.14) (3.14) nolu denklemde birinci terim Ė𝑥∆𝑇, fiziksel ekserjinin ısıl bileşeni olup ürün ve çevre sıcaklığı arasındaki farkın integrasyonu olarak ortaya çıkmaktadır. 39 𝑇0 T−T0 Ė𝑥∆𝑇 = ∫ dh (3.15) 𝑇1 T İkinci terim Ė𝑥∆𝑃ise, basınç bileşeni olup basınç farkından dolayı meydana gelmektedir. Basınç bileşeni aşağıdaki gibi hesaplanır. Ė𝑥∆𝑃 = 𝑇0(𝑠0 − 𝑠1) − (ℎ0 − ℎ1) (3.16) Kimyasal Ekserji Sistemin ya da maddenin sınırlı denge halinden denge haline geçmesi ile kimyasal ekserjiden maksimum iş elde edilebilir. Çevre dengesi (T0, P0) iken saf bileşenlerin konsantrasyonlarının kısmi basınçlarından (P00,i) gidilerek her bir bileşenin kimyasal ekserjileri aşağıda verilen bağıntıdan hesaplanır (Hepbaşlı ve Utlu, 2007). 𝐸𝑜𝑖 = 𝑅𝑇0ln (𝑃/𝑃∞,𝑖) (3.17) Aynı zamanda gaz karışımları ve ideal sıvıların ekserjileri (3.18) nolu denklemden bulunur. 𝑒𝐾𝑀 = ∑𝑖 𝑥𝑖 (𝑒𝑜𝑖 + 𝑅𝑇0𝑙𝑛[𝑥𝑖]) (3.18) χi maddenin bileşimindeki molar kesri, eoi standart kimyasal ekserjiyi gösterir. Kimyasal enerjinin gerçek çözümü için aşağıdaki bağıntıdan yararlanılır: 𝑒𝐾𝑀 = ∑𝑖 𝑥𝑖 (𝑒𝑜𝑖 + 𝑅𝑇0𝑙𝑛[𝛾𝑖 𝑥𝑖]) (3.19) 𝛾𝑖 bileşeninin aktiflik katsayısıdır. 3.2.1.3. Sürekli Akışlı Açık Sistemlerin İkinci Yasa Çözümlemeleri Sürekli akışlı açık bir sistem ele alındığında sisteme birden çok giriş çıkışın olabileceği ve sistemin P0 basıncında ve T0 sıcaklığındaki çevre ortamla ısı alışverişinde bulunabileceği kabul edilmektedir. Sürekli akışlı açık sistem için termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarıaşağıdaki gibi yazılabilir. 40 Termodinamiğin birinci yasası; 1 1 ?̇? − ?̇? = ∑ ?̇? (ℎ + 𝑣2ç𝚤𝑘𝑎𝑛 + 𝑔𝑧) − ∑ 2 𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ?̇? (ℎ + 𝑣 + 𝑔𝑧) ( kW ) (3.20) 2 2 Termodinamiğin ikinci yasası; 1 1 ?̇? = ∑ 2𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ?̇? (ℎ + 𝑣 + 𝑔𝑧 − 𝑇𝑜𝑆𝑔) − ∑ç𝚤𝑘𝑎𝑛 ?̇? (ℎ + 𝑣 2 + 𝑔𝑧 − 𝑇𝑜𝑆ç) −2 2 𝑇𝑜𝑆ü𝑟𝑒𝑡𝑖𝑚 ( kW ) (3.21) Denklemlerde verilen ?̇?, açık sistemde yapılan gerçek iştir, bu aynı zamanda yararlı işe eşittir, çünkü sürekli akışlı açık sistemlerin sınırları sabit olup çevre işi söz konusu değildir. Tersinir iş, (3.21) nolu denklemde toplam entropi üretimi terimi 𝑆ü𝑟𝑒𝑡𝑖𝑚 sıfıra eşitlenerek bulunur. 1 1 𝑊̇𝑡𝑟 = ∑𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ?̇? (ℎ + 𝑣 2 + 𝑔𝑧 − 𝑇𝑜𝑆𝑔) − ∑ 2 ç𝚤𝑘𝑎𝑛 ?̇? (ℎ + 𝑣 + 𝑔𝑧 − 𝑇𝑜𝑆ç) (3.22) 2 2 Sürekli akışlı açık sistemin bir giriş ve bir çıkışı var ise (3.22) nolu denklem basitleştirilerek (3.23) nolu denklem oluşturulur. 1 1 𝑊̇𝑡𝑟 = ?̇?(ℎ 2 2 𝑔 − ℎç) − 𝑇𝑜(𝑠𝑔 − 𝑠ç) + ( 𝑉𝑔 − 𝑉ç + 𝑔(𝑧𝑔 − 𝑧ç)) (3.23) 2 2 Sistemden geçen birim kütle için aşağıdaki denklem yazılabilir. 1 1 𝑤𝑡𝑟 = (ℎ𝑔 − ℎç) − 𝑇𝑜(𝑠 2 2 𝑔 − 𝑠ç) + ( 𝑉𝑔 − 𝑉ç + 𝑔(𝑧𝑔 − 𝑧ç)) (3.24) 2 2 = 𝑇0∆𝑠 − ∆ℎ − ∆𝑘𝑒 − ∆𝑝𝑒 (3.25) Akış kullanılabilirliği, sürekli akışlı açık sistem için verilen termodinamiğin ikinci yasa denkleminde (3.21) giriş hali indissiz olarak ve çıkış hali de ölü hal olmak üzere 0 indisiyle gösterilirse (3.26) nolu denklem oluşturulur. 1 𝜓 = (ℎ − ℎ0) − 𝑇𝑜(𝑠 − 𝑠0) + ( 𝑣 2 + 𝑔𝑧) (3.26) 2 Bu bağıntıdan yararlanarak, tersinir işi akış kullanılabilirliğiyle göstermek mümkündür. 𝑊̇𝑡𝑟 = ∑ 𝑚̇𝑔 𝜓𝑔 − ∑ 𝑚̇ç 𝜓ç ( kW ) (3.27) 41 Bir giriş ve bir çıkışlı sürekli akışlı açık sistem için, 𝑊̇𝑡𝑟 = ?̇?(𝜓𝑔 − 𝜓ç) ve 𝑊𝑡𝑟 = 𝜓𝑔 − 𝜓ç ( kW ) elde edilir. Ekserji Kaybı Ekserjinin yok oluşu veya ekserji kayıpları olarak adlandırılan tersinmezlik, tüm giren ve çıkan ekserjiler arasında ekserji balansı kurularak hesaplanır. Tersinmezlik (I) ile gösterilir. Termodinamik süreçlerde tersinmezlik (3.28) nolu denklem ile bulunur. İ = ∑𝑔 Ė𝑥𝑔 − ∑ç Ė𝑥ç ( kW ) (3.28) Tersinmezlikleri hesaplamanın bir başka yöntemi de “Gouy-stodola” tarafından yapılmıştır. Burada, entropi artışları çevresel sıcaklığa bağlı arttığı ifade edilmiştir. İ = 𝑇0 ∑ç 𝑆ç − 𝑇0 ∑𝑔 𝑆𝑔 = 𝑇0∆𝑠 (3.29) Burada T0 referans alınan çevre sıcaklığını, Δs entropi değişimini ifade etmektedir (Cornelissen 1997). Ekserji Verimliliği Isıl sistemlerin ekserji verimliliği; basit verimlilik, rasyonel verimlilik, geçişli ekserji ile verimlilik olmak üzere üç farklı şekilde hesaplanır. Basit (Temel) Verimlilik Temel ekserji verimi formudur. Basit verimlilik formu, giren ve çıkan materyallerin ekserji dengesinin kurulması ile oluşturulur. Basit verimliliğin en kısa tanımı; toplam çıkan ekserji akışının, toplam giren ekserji akışına oranıdır. Ė𝑥ç ƞ𝑢 = (3.30) Ė𝑥𝑔 Basit verimlilik, bir termodinamik sistemin tüm ünitelerinde kullanılabilir. Basit verimlilik giren ekserji akışının bir üniteden diğerine transfer edildiği ısıl sistemde, 42 sistemin termodinamik yeterliliğinin iyi bir görünümünü verir. Ancak bu verimlilik güç istasyonları gibi ekserji transferinin olmadığı kısımlarda fabrikaların proses veya ünitelerin değerlendirilmesinde yanlış bir etki verir. Basit (temel)verimliliğin duyarlılığı; transfer edilmeyen ekserjinin fabrika proseslerinde veya ünitelerinde azalması ile değişir (Cornelissen 1997). Rasyonel Verimlilik Rasyonel verimlilik, 1995 yılında Kotas tarafından; istenilen ekserji çıkışının kullanılan ekserjiye oranı olarak tanımlanmıştır (Cornelissen 1997). Rasyonel verimlilik; Ė𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑙𝑒𝑛 ç𝚤𝑘𝚤ş Ѱ = (3.31) Ė𝑥𝑘𝑢𝑙𝑙𝑎𝑛𝚤𝑙𝑎𝑛 dir. Ė𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑙𝑒𝑛 ç𝚤𝑘𝚤ş sistemden transfer edilen ve istenilen çıktıyı oluşturan ekserjilerin toplamıdır. İstenilen ekserji çıkışı, sistem fonksiyonlarının denemeleri yolu ile belirlenmiştir. Eğer Ė𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑙𝑒𝑛 ç𝚤𝑘𝚤şve Ė𝑥𝑘𝑢𝑙𝑙𝑎𝑛𝚤𝑙𝑎𝑛 bir kontrol yüzeyinde doğru tanımlanırsa, ortaya çıkan tersinmezliklerin tamamı göz önünde bulundurularak (3.32) nolu eşitlik yazılır. Bu durumda sisteme giren ekserji, çıkan ekserji ile tersinmezliğin toplamına eşittir. Ė𝑥𝑘𝑢𝑙𝑙𝑎𝑛𝚤𝑙𝑎𝑛 = Ė𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑙𝑒𝑛 ç𝚤𝑘𝚤ş + 𝐼 (3.32) Eşitlik (3.33) kullanılan ekserjinin istenilen çıkışı için kullanılabilir. Yukarıdaki denklikler birleştirildiğinde, rasyonelliğin alternatif formu elde edilebilir (Cornelissen 1997). Ѱ = 1 − (𝐼⁄ ) (3.33) Ė𝑥𝑘𝑢𝑙𝑙𝑎𝑛𝚤𝑙𝑎𝑛 Rasyonel verimlilik tamamen yutucu olmayan her sistem için kullanılabilir. Geçişli Ekserji ile Verimlilik Kostenko tarafından açıklanan, Brodyansky, Sorin ve Lee Goff (1994) tarafından daha da geliştirilen geçişli ekserji ile verimlilik basit verimliliğin gelişmiş bir formudur. Bu 43 verimin hesaplanmasında giren ve çıkan akışkanların ekserjisinden, transfer edilmeyen parçaların ekserjisi çıkarılır. Ė𝑥ç−Ė𝑥𝑡𝑟 ƞ𝑒 = (3.34) Ė𝑥𝑔−Ė𝑥𝑡𝑟 Ė𝑥𝑡𝑟 geçiş ekserjisi Sorin (1994) tarafından ''ekserjinin sistem içerisinde herhangi bir mekanik, termal ve ya kimyasal değişime uğramayan kısmı'' olarak nitelendirilmiştir. 3.2.2. Yanma Yanma, yakıtların oksijenle kimyasal tepkimeye girmesi ile oluşur. Tepkime sonucunda yakıt içindeki kimyasal enerji açığa çıkar. Açığa çıkan enerjinin önemli kısmı ısı (sıcak gazlar), geri kalan kısmı ise elektromanyetik dalgalar (ışık), elektrik (çevreye saçılan serbest elektronlar ve iyonlar) ve mekanik enerji (ses) şeklinde çevreye yayılır. Ancak elektrik ve mekanik enerji olarak ortaya çıkan enerjiler genellikle dikkate alınmazlar. Yanma işlemi sırasında tepkimeden önce bulunan bileşenlere girdiler ve tepkimeden sonra bulunan bileşenlere ürünler denir. Buna göre yanma işleminde girdiler yakıt ve hava (veya O2) iken yanma sonunda ürün olarak başta karbondioksit (CO2), su buharı (H2O) ve azot (N2) olmak üzere değişik miktarlarda başka gazlar da bulunur. Yanma sırasında kimyasal tepkimeler, çok ince bir tabaka olan alev içinde gerçekleşir. Kimyasal tepkimeler kütlenin korunumu ilkesine dayanarak denkleştirilmektedir. Kütlenin korunumu ilkesi kimyasal tepkime sırasında her bir elementin toplam kütlesi sabit kalır şeklinde ifade edilebilir. Bununla beraber girdilerin toplam mol sayısı ürünlerin toplam mol sayısına eşit olmayabilir. Bu nedenle bir kimyasal tepkimede toplam mol sayısı sabit kalmayabilir. Genel hidrokarbon yakıtlar CαHβOγ için hava ile yanma stokiyometresi şu şekilde ifade edilebilir. β γ β β γ 𝐶𝛼𝐻𝛽𝑂𝛾 + (α + − ) (O2 + 3,76N2) → α CO2 + H2O + 3,76 (α + − )N2 (3.35) 4 2 2 4 2 Denklem (3.35)' de α, β ve γ sırasıyla C, H ve O elementlerinin atom sayılarıdır. 44 Stokiometrik Yanma Yanma işlemi sırasında, eğer yakıt içindeki karbonun tamamı CO2'ye, hidrojenin tümü H2O'ya ve varsa kükürtün tümü SO2'ye dönüşüyorsa, yanma tam yanmadır. Yanma sonunda yanmamış yakıt veya C, H2, CO gibi bileşenler var ise yanma işlemi tam yanma değildir. Bir yakıtın tam yanması için gereken minimum hava miktarına stokiometrik veya kuramsal hava denir. Yanmayı tam sağlamak için yanma odasına gönderilen gerçek hava miktarı, daima teorik hava miktarından bir miktar fazladır (Anonim 1999). Stokiometrik miktardan fazla kullanılan hava miktarına fazla hava denir ve 𝜆 ile gösterilir. 𝜆 eşdeğerlik oranı gerçek hava-yakıt oranının, stokiometrik hava-yakıt oranına bölünmesi ile elde edilir. Gerçek hava yakıt oranı 𝜆 = (3.36) Teorik hava yakıt oranı Burada 𝜆< 1 olursa eksik yanma, 𝜆 = 1 olursa stokiometrik yanma, 𝜆> 1 olursa fazla hava ile yanma olur. Yakıtın doğalgaz olduğu yanmalarda λ değerinin 1,1-1,15 aralığında olması optimum değer olarak görülmektedir. Hidrokarbon bir yakıt için, stokiometrik yanma denklem (3.37)'de olduğu gibi ifade edilir. 𝑦 𝐶𝑥𝐻𝑦 + 𝑎(𝑂2 + 3,76𝑁2) = 𝑥𝐶𝑂2 + ( ) 𝐻2𝑂 + 3,76 𝑎𝑁2 (3.37) 2 𝑎 = 𝑥 + 𝑦/4 (3.38) Havadaki O2 oranı %21, N2 oranı ise %79 olarak kabul edilirse havadaki her 1 mol O2 için 3,76 mol N2 bulunmaktadır. Bu durumda stokiometrik hava yakıt karışımı aşağıdaki şekilde bulunur. 𝑚ℎ𝑎𝑣𝑎 4,76𝑎 𝑀= ℎ𝑎𝑣𝑎 (3.39) 𝑚𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡 1 𝑀𝑦𝑎𝑘𝚤𝑡 Yakıtların yanması ile bağlantılı olarak kullanılan diğer bir terim yakıtın ısıl değeridir ve bir yakıtın tamamen yandığında ve girdiler ürünler haline döndüğünde ortaya çıkan ısı miktarı olarak tanımlanır. Ürünlerde bulunan suyun fazı ısı değerini belirler. 45 Ürünlerdeki su, sıvı halde olduğunda ısı değerine üst ısıl değer (ÜID), ürünlerdeki su buhar fazında ise alt ısıl değer (AID) denir. 3.2.2.1. Yakıtlar Yakıtlar kimyasal reaksiyonlar yoluyla ısı üretimine elverişli olan ve esas itibariyle hidrokarbon olan maddelerdir (Telli 1984). Yakıtları fiziksel özelliklerine göre, katı, sıvı ve gaz ayrıca üretildikleri kaynaklara göre de yapay ve doğal olarak sınıflandırmak mümkündür. En çok kullanılan katı yakıtlar kömür ve odundur. Sıvı yakacak olarak petrol ve türevleri ile katran yağı kullanılmaktadır. Gaz yakıtlar olarak ise doğal gaz (NG), sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), sıkıştırılmış doğal gaz (CNG), hava gazı ve sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) sayılabilir. Katı Yakıtlar Yakıtlar içinde yanma ve taşıma bakımından katı yakıtlar dezavantajlı durumdadır. Yanma sırasında kül bırakırlar ve ızgaralara gereksinme gösterirler. Çoğu zaman yanma olayı tam gerçekleşmez. Ortaya çıkan kurum nedeniyle tesisatın sık temizlenmesi gerekir. Katı yakıtlar başlıca kömür, kok, odun ve odun kömürüdür. Katı yakıtlar çok iyi pülverize edilirse sıvı ve gaz yakıtlar gibi iyi bir türbülans ile havada yakılabilir. Fakat katı yakıtlar genellikle parça halinde yakılırlar. Kömür, ızgara üzerinde, içerisinden geçen hava ile yanar. Fakat yanma bu esnada tamamlanamaz. Kömürün cinsine göre ısı değerinin % 40 veya % 60’ına sahip uçucu gazlar ocağı yanmadan terk ederler. Ocak sonrası bu ısıl değeri yüksek gazları yakmak için mutlaka ilave sekonder yanma hücreleri gerekmektedir(Kartal 2001). Sıvı Yakıtlar Akaryakıtlar katı yakıtlara göre daha kolay alevlenirler, taşınmaları kolaydır. Yanma sonucu kül bırakmazlar. Gaz Yakıtlar Gaz yakıtlar, genellikle temiz olmaları ve temiz yanmaları açısından, sıvı yakıtlar kadar kolay ve ucuz olmasa da depolanma, taşınma ve kullanımlarının yaygınlıkları açısından önemlidirler. Gaz yakıtlar, havada kolaylıkla dağıldığı için yanma işleminde ön hazırlığa 46 gerek duyulmaz. Tutuşma sıcaklığına ulaşıldığında ve uygun bir türbülans sağlandığında, yanma süresi kısadır. Endüstride kullanımının yaygın olması ve inceleme yapılan fırınında doğalgaz kullanması nedeniyle, doğalgaz ve doğalgazın yanması konuları aşağıda ele alınmıştır. Doğal gaz fosil yakıtlar içerisinde yer almaktadır. Temel olarak metan (CH4) ve daha düşük oranlarda etan (C2H6), Propan (C3H8) ve daha ağır hidrokarbonları içeren doğal gaz, düşük oranlarda azot (N2), oksijen (O2), karbondioksit (CO2), kükürtlü bileşikler ve su gibi safsızlıklar içerebilir. En temiz fosil yakıt olması nedeniyle çevresel performans açısından öne çıkmaktadır. Gaz halinde olması nedeniyle hava ile daha iyi bir karışım oluşturarak kolay yanar, tam yandığında mavi bir alev oluşturur. Gaz halinde olması nedeniyle daha hassas kontrol edilebilme olanağı bulunmaktadır. Doğal gaz renksiz, kokusuz, zehirli olmayan ve havadan hafif bir yakıttır. Doğal gaz, diğer fosil enerji kaynaklarına göre çevreye daha uyumlu, karbon salınımları diğer fosil yakıtlara göre daha düşük olan bir enerji kaynağıdır. Doğal gaz, yandığı zaman havayı kirletici kükürt oksitleri ve karbon tanecikleri gibi atık maddeler meydana getirmemektedir. Ayrıca sera gazları üretiminin düşük olması nedeniyle önemli avantaja sahiptir. Doğal gaz elektrik üretiminde en düşük CO2 miktarına sahiptir (MMO,2008). Çizelge 3.4’te fosil yakıtların elektrik üretiminde CO2 salınımları belirtilmiştir. Çizelge 3.5. Fosil yakıtların elektrik üretiminde CO2 salınımı(MMO,2008) Elektrik Üretiminde Kullanılan kg CO2/kWh Yakıt Salınım Faktörü Taşkömürü 0,97-0,98 Linyit 0,98 – 1,14 Fuel Oil 0,85 – 0,91 Doğal Gaz 0,46 – 0,56 3.2.2.2. Doğal Gaz'da Yanma Doğal gaz, içindeki karbon oranı kömürden ve fuel oil den az olmasına karşılık, hidrojen oranı kömüre göre 7 kat, fuel oil e göre 2 kat daha fazladır. Karbon oranının 47 artması alevin rengini kırmızı yapar. Parlak kırmızı alevde radyasyonla ısı transferi daha fazladır. Hidrojen oranının artması ise baca gazındaki su buharını arttırır. Ayrıca doğal gaz içindeki azot miktarı fuel oil den 35 kat, kömürden 2 kat fazladır. Diğer fosil yakıtlarda muhtelif oranlarda bulunan oksijen, kükürt, su ve kül doğal gazda hiç yoktur. Doğal gazda yanma havası oranı diğer yakıtlara göre daha azdır (Akgüngör, 2000 ). Şekil 3.9. İşlenmemiş doğal gazın temel elemanları Stokiometrik şartlarda karbon ve hidrojenin tam yanması halinde doğalgazda yanma reaksiyonları aşağıdaki gibidir. 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 (3.40) 𝐶2𝐻6 + 3,5𝑂2 → 2𝐶𝑂2 + 3𝐻2𝑂 (3.41) 𝐶3𝐻8 + 5𝑂2 → 3𝐶𝑂2 + 4𝐻2𝑂 (3.42) 𝐶4𝐻10 + 6,5𝑂2 → 4𝐶𝑂2 + 5𝐻2𝑂 (3.43) 𝐶5𝐻12 + 8𝑂2 → 5𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂 (3.44) Karbon ve hidrojen oksijenle birleşerek yanma oluşur. Yanma esnasında yakıt partikülleri kendilerini oluşturan hidrojen ile karbon atomlarına ayrılır ve elementler havanın oksijeni ile ayrı ayrı birleşir. 48 3.2.2.3. Yanma Hesabı Doğalgaz bileşenleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir. Çizelgede görüldüğü gibi Metan %94.53 yüzdesi ile ilk sırada yer almaktadır. Çizelge 3.6. Doğalgaz bileşenleri(Temmuz 2016 Bursagaz Kromotograf Değerleri) Bileşen Sembolü M(kg/kmol) %Dağılımı Metan CH4 16.043 %94,53 Etan C2H6 30.070 %2,73 Propan C3H8 44.097 %0,88 Bütan C4H10 52.121 %0,31 Pentan C5H12 72.148 %0,07 Kükürt S 32.064 %0,00 Oksijen O2 31.999 %0,00 Karbondioksit CO2 44.009 %0,26 Azot N2 28.013 %1,22 Toplam 104.60 100% Hidrokarbonların tam yanması halinde yanma reaksiyonu aşağıdaki gibi yazılır. β β β 𝐶𝛼𝐻𝛽 + (α + ) (O2 + 3,76N2) → α CO2 + H2O + 3,76 (α + ) N2 (3.45) 4 2 4 Metan 𝐶𝐻4 + 2(O2 + 3,76N2) → CO2 + 2H2O + 7,52N2 Etan 𝐶2𝐻6 + 3,5(O2 + 3,76N2) → 2CO2 + 3H2O + 13,16N2 Propan 𝐶3𝐻8 + 5(O2 + 3,76N2) → 3CO2 + 4H2O + 18,80N2 Bütan 𝐶4𝐻10 + 6,5(O2 + 3,76N2) → 4CO2 + 5H2O + 24,44N2 Pentan 𝐶5𝐻12 + 8(O2 + 3,76N2) → 5CO2 + 6H2O + 30,08N2 Çizelge 3.5’te belirtilen doğalgaz bileşenleri yüzde dağılımına göre aşağıdaki hesaplamalar yapılabilir. % 94,53 Metan için; 0,9453 𝐶𝐻4 + 1,89(O2 + 3,76N2) → 0,9453 CO2 + 1,89 H2O + 7,1 N2 49 % 2,73 Etan için; 0,0273 𝐶2𝐻6 + 0,09 (O2 + 3,76N2) → 0,0546 CO2 + 0,0819H2O + 0,3592 N2 % 0,88 Propan için; 0,008 𝐶3𝐻8 + 0,044(O2 + 3,76N2) → 0,0264CO2 + 0,0352 H2O + 0,1654 N2 % 0,31 Bütan için; 0,0031 𝐶4𝐻10 + 0,0201 (O2 + 3,76N2) → 0,0124 CO2 + 0,0155 H2O + 0,0757 N2 % 0,07 Pentan için; 0,0007 𝐶5𝐻12 + 0,0056 (O2 + 3,76N2) → 0,0035 CO2 + 0,0042 H2O + 0,210 N2 Bileşenlerin yanması için gerekli oksijen miktarı, tüm oksijen miktarları toplanarak bulunur; (1,8906 + 0,0955 + 0,044 + 0,0201 + 0,0056) = 2,056 𝑁𝑚3/𝑁𝑚3 100 Teorik yakma havası = 𝑣ℎ = (2,056) = 9,789 𝑁𝑚 3/Nm3 olarak bulunur. 𝜎 21 Hava fazlalık katsayısı λ ile gösterilecek olursa; Gerçek hava miktarı 𝑉ℎ = 𝜆 ∗ 𝑣ℎ formülü ile hesaplanır. Teorik baca gazı miktarı ise 𝜎 yanma denklemlerinin sağ tarafındaki CO2, H2O, N2 gazlarının toplamları ile bulunur. Teorik özgül baca gazı miktarı: 𝑣𝑔 = 1,0422𝐶𝑂2 + 2,0274 𝐻2𝑂 + 7,7301 𝑁 3 2 = 10,79 Nm /Nm 3 0 Gerçek baca gazı miktarı= 𝑉𝑔 = 𝑣𝑔 + (𝜆 − 1)𝑣ℎ 0 0 Yakıtın alt ısıl değer hesabı; 𝐻𝑢 = 0,9453 ∗ 8.560 + 0,0273 ∗ 15.370 + 0,0088 ∗ 21.800 + 0,0031 ∗ 28.354 + 0,0007 ∗ 34.899 = 9.021 𝑘𝑐𝑎𝑙/Nm3 50 Yakıttaki bütün karbon ve hidrojen atomlarının hesaplanması ile 𝐶 = 0,9453 ∗ 1 + 0,0273 ∗ 2 + 0,0088 ∗ 3 + 0,0031 ∗ 4 + 0,0007 ∗ 5 = 1,042 C: 1,042 𝐻 = 0,9453 ∗ 4 + 0,0273 ∗ 6 + 0,0088 ∗ 8 + 0,0031 ∗ 10 + 0,007 ∗ 12 = 4,0548 H: 4,0548 değerleri elde edilir. Bu durumda doğal gaz bileşiminin metan (𝐶𝐻4) yakıtına çok yakın olduğu görülmektedir. Tüm bu hesaplamalar aşağıdaki çizelgede belirtilmiştir. Çizelge 3.7. Bileşen oranlarına göre elde edilen veriler Gerekli Gerekli O2 CO2 H2O Oluşacak Teorik teorik Teorik Yaş Teorik Kuru çarpım çarpım çarpım CO2 Oluşacak O2 hava Hidrokarbo Bacagazı Bacagazı BİLEŞEN % % / 100 x y faktörü faktörü faktörü miktarı H2O miktarı Miktarı miktarı n faktörleri Miktarı Miktarı 3 (Nm )Gwf 3 3 3(Nm )A0 (Nm )G0 (Nm )G0' CH4 94,53 0,94530 1 4 2 1 2 0,9453 1,8906 1,8906 0,000000 C2H6 2,73 0,0273 2 6 3,5 2 3 0,0546 0,0819 0,0956 0,013650 C2H4 0 0,00000 2 4 3 2 2 0,0000 0,0000 0,0000 0,000000 C3H8 0,88 0,0088 3 8 5 3 4 0,0264 0,0352 0,0440 0,008800 C4H10 0,31 0,0031 4 10 6,5 4 5 0,0124 0,0155 0,0202 0,004650 C5H12 0,07 0,0007 5 12 8 5 6 0,0035 0,0042 0,0056 0,001400 CO 0 0,00000 0 0 0,5 1 0 0,0000 0,0000 0,0000 H2 0 0,00000 0 0 0,5 0 1 0,0000 0,0000 0,0000 O2 0 0,00000 0 0 0,0000 CO2 0,26 0,00260 0,0000 N2 1,22 0,01220 Toplam 1,00 0,9852 1,042 2,027 2,056 9,790 0,029 10,819 8,791 3.2.2.4. Doğalgaz Ekserji Hesaplaması Kinetik ve potansiyel enerji değişimlerinin ihmal edildiği ve ısı alışverişinin sadece T0 sıcaklığındaki çevreyle olduğu sürekli akışlı bir yanma işlemi için tersinir iş aşağıdaki formülle bulunur, 𝑊𝑡𝑟 = ∑𝑛𝑔(ℎ̅ 𝑜 𝑓 + ℎ̅ − ℎ̅° − 𝑇0?̅?)𝑔 − ∑𝑛 (ℎ̅ 𝑜 ç 𝑓 + ℎ̅ − ℎ̅° − 𝑇0?̅?)ç ( kj ) (3.46) Yanma işlemine girenler ve yanma işleminden çıkanlar, çevre sıcaklığı T0’ da oldukları zaman tersinir iş Gibbs fonksiyonu ile ifade edilebilir. Gibbs serbest enerjisi, bir sistemin sabit basınç ve sıcaklık altında üretebildiği kullanılabilir iş miktarını belirtmektedir. 51 𝑊𝑡𝑟 = ∑𝑛𝑔(?̅?0,𝑔) − ∑𝑛ç(?̅?0,𝑓) ( kj ) (3.47) ?̅?0 , T0 sıcaklığındaki bir maddenin birim molünün Gibbs fonksiyonudur. Çizelge 3.7’de (Kotas, 1995) Gibbs oluşum fonksiyonu ve standart kimyasal ekserji değerleri (Kotas, 1995) verilmektedir. Çizelgedeki değerleri (3.47) nolu denklemde uygulayarak fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri bulunur. Çizelge 3.8. Gibbs oluşum fonksiyonu ve standart kimyasal ekserji değerleri 0 0 Bileşen gf ε kJ/kmol kJ/kmol M etan -50 490 836,51 Etan -31 920 1 504,36 Propan -24 390 2 163,19 Bütan -16 700 2 818,93 Pentan -8,4 3 461,3 Kükürt 609,6 Oksijen 0 3,79 -394 370 20,140 Karbondioksit Azot 0 0,69 Fiziksel ekserji Fiziksel ekserji değerleri yukarıda belirtilen doğalgaz bileşen oranları doğrultusunda hesaplanır. 1kmol üzerinden yapılan hesaplamada Wtr - 44.460 kj/kg bulunur. Kimyasal ekserji Kimyasal ekserji değerleri yukarıda belirtilen doğalgaz bileşen oranları doğrultusunda hesaplanır. 1kmol üzerinden yapılan hesaplamada 𝑊𝑡𝑟,𝑘𝚤𝑚𝑦𝑎𝑠𝑎𝑙 ̇ 918,5 kj/kg bulunur. Toplam ekserji değeri bulunurken ekserji değerinin vektörel olduğu göz önünde bulundurularak hesaplar yapılmıştır. 𝑊 ̇ ̇ ̇𝑡𝑟,𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 = 𝑊𝑡𝑟 + 𝑊𝑡𝑟,𝑘𝚤𝑚𝑦𝑎𝑠𝑎𝑙 = 43.541,5 kj/kg bulunur. 52 3.2.2.5. Doğal Gaz’ın Getirdiği Avantajlar Ülkemiz birincil enerji tüketimine bakıldığında doğalgaz tüketiminin %30'lar seviyesinde olduğu görülmektedir. Doğal gaz’ın ithal bir enerji olması nedeniyle ülkemizin dış ticaret açığı açısından dezavantajlı bir durum oluşsa da, kullanımı işletmelere aşağıdaki avantajları getirmektedir.  Doğalgazlı sistemlerde yanma hassas olarak kontrol edilerek yakıt kaybı en aza indirilir.  Zamanla yakıt kalitesi değişmez.  Hava ile çok iyi karışmasından dolayı diğer yaktı türlerine görece yanma verimi yüksektir.  Doğalgaz kullanımı işletmelere, yakıt hazırlama vb. yanma öncesi herhangi bir ek maliyet getirmez.  Alev boyunun kısa olması nedeni ile yanmanın tamamlanması için gerekli süre diğer yakıt türlerine göre daha kısadır.  Katı ve sıvı yakıtlar yanma ürünü olarak kükürt içerdiği için, baca gazlarının suyun yoğunlaşma noktasına kadar soğutulması ve böylece suyun gizli ısısındanfaydalanılması imkânı yoktur. Doğal gaz kullanılan işletmelerde ekonomizer ilavesi ile baza gazı sıcaklığı diğer yakıtlara göre daha düşük sıcaklıklara getirilerek ısı geri kazanımı gerçekleştirilebilir. Proje konusu fırında da benzer uygulama yapılmıştır.  Doğalgaz tesisatı ve cihazları düşük basınçla çalıştığı için patlama tehlikesi daha düşüktür.  Doğalgazda yanma için gerekli olan hava diğer yakıt türlerine göre daha azdır.  Diğer yakıt türlerinde kurum ve is gibi atık ürünler bulunması nedeniyle bakım maliyetleri fazladır. Aynı zamanda ısı transfer yüzeyleri temiz kalmadığı içn verim zamanla azalır. Bu durum doğalgazda oluşmaz.  Doğalgaz kullanan tesis çok az bakım ve denetleme gerektirir.  İçeriğinde kükürt bulunmamasından dolayı, birçok sektörde kullanılabilirken sistem veriminin ve ürün kalitesinin daha iyi olmasını sağlar.  Depolama gerektirmez ve taşıma maliyeti yoktur. İlk yatırım maliyeti dışında, taşıma maliyeti ve riski yoktur. 53 2015 yılı Kasım ayı verilerine göre sanayide 1 000 kcal ısı ihtiyacı için gerekli olan çeşitli yakıtlar için maliyet karşılaştırma çizelgesi aşağıda verilmiştir. Çizelgeye bakıldığında yakıt maliyeti olarak toz linyit kömürün doğalgaza göre azda olsa avantajlı olduğu görülmektedir. Ancak yukarıda bahsedilen, ilk yatırım, işletme ve bakım maliyetleri, çevre performansı gibi hususlar göz önüne getirildiğinde doğalgazın daha avantajlı yakıt türü olduğu değerlendirilebilir. Çizelge 3.9. Yakıt karşılaştırma (Akfel,2015) Ort. Yakıt Alt 10.2015 Fiyatlarıyla Yakıt Çeşidi İşletme Birim Fiyat Isıl Değeri TL/1 000 kcal Verimi Yerli Linyit (0,293850 x 0,5-10 mm 4 724 0,293850 %65 1.000)/ 0,095698 Yıkanmış kcal/kg TL/kg (4.724 x 0,65) Açık – Toz (0,816464 x 8 250 0,816464 Doğalgaz %93 1.000)/ (8.250 x 0,106414 kcal/m³ TL/m³ 0,93) Yerli Linyit 10-18 mm (0,457000 x 4 932 0,457000 Yıkanmış %65 1.000)/ 0,142554 kcal/kg TL/kg Fındık – (4.932 x 0.65) Torba İthal Sibirya (0,728814 x 7000 0,728814 Kömürü %65 1.000)/ 0,160179 kcal/kg TL/kg Ceviz tipi (7.000 x 0,65) Fuel-oil No: 6 (1,279661 x 9 562 1,279661 Kalorifer %80 1.000)/ 0,167285 kcal/kg TL/kg Yakıtı (9.562 x 0,80) LNG - Büyük (1,524317 x Sanayi 8 250 1,524317 %93 1.000)/ 0,198673 Sıvılaştırılmış kcal/m3 TL/m3 (8.250 x 0,93) Doğalgaz (0,289120 x Elektrik 860 0,289120 %99 1.000)/ 0,339582 Sanayi kcal/kwh TL/kWh (860 x 0,99) (3,750878 x Motorin 10 256 3,750878 %84 1.000)/ 0,435387 (VP Diesel) kcal/kg TL/kg (10.256 x 0,84) 54 4. BULGULAR Uygulama Öncesi Fırın Enerji Analizi Yapılan ölçümler, işletmeden alınan bilgiler doğrultusunda emaye pişirme fırını kütle ve enerji denkliği oluşturulmuştur. Emaye pişirme prosesine çeşitli ebatlarda emaye kaplanmış boyler ve tanklar girmektedir. Çalışmalarda 1 000 lt kapasiteye sahip boyler emaye pişirme prosesi referans alınmıştır. 1 000 lt boyler ağırlığı 280 kg olarak tespit edilmiş ve analizlerde bu değerler kullanılmıştır. Enerji verimliliği projeleri uygulanmadan önce kutu fırın pişirme prosesine 2 adet 1 000 lt’lik boylerler girmektedir. Brulörlerin elektrik tüketimi gaz açma ve hava açma manyetik ventilleri tarafından tüketilen elektrik enerjisi olarak düşünülmüştür. Ayrıca egzoz fanı ve yakma fanı enerji tüketimleri de göz önünde bulundurularak elektrik enerjisi tüketimi hesaplanmıştır. Hava tüketimi 2 nolu bölümde hesaplanan teorik yakma havasının, λ çarpılması ile elde edilmiştir. Aynı şekilde baca gazı hesabı 3 nolu bölümdeki hesaplamalar doğrultusunda tespit edilmiştir. Emaye pişirme prosesi öncesi boylerlere emaya tatbik edilmektedir. İlgili personelden 1 000 lt 'lik boyler için tatbik ettikleri emaye miktarı alınmış ve hesaplamaya dahil edilmiştir. Proses çıktısı bölümünde emaye boyler içinde hesaplanmış, eksilen emaya miktarı ihmal edilmiştir. Aşağıdaki çizelgede proses girdileri gösterilmiştir. Sürekli akışlı sürekli açık sistemler için (3.8) nolu denklem doğrultusunda her bir girdi ve çıktı için entalpi terimini özgül ısı ile ifade edersek; Δh = 𝑚 (𝑐𝑥𝑇𝑥 − 𝑇𝑜𝑐𝑥) bağıntısı elde edilir. ΔKE = 0, ΔPE = 0, T0= 295 K 55 Çizelge 4.1. Proses girdileri M T1 Cp Δh Girdiler kg/h K kJ/kgK kJ/h Boyler 560,0 298 0,434 72 425,9 Doğalgaz(yanma 1 757 680,5 ısısı) Doğalgaz (duyulur 37,4 298 2,22 24 709,3 ısı) Hava 895,5 298 1,005 268 193,3 Emaye 4,1 298 0,35 212,2 Elektrik 43 199,5 Toplam 1 497,0 2 166 420,7 Girdilerin kütle dağılımı Şekil 4.1'de pasta grafiği olarak gösterilmiştir. Şekil 4.1. Proses girdileri enerji dağılımı Proses sonucunda çıkan maddelerin verileri ve elde edilen entalpi değerleri Çizelge 4.2’de belirtilmiştir. 56 Çizelge 4.2. Proses çıktıları M T1 cp Δh Çıktılar kg/h K kJ/kgK kj/h Boyler 562,3 1133 0,434 276 514,9 Baca gazı(yanma) 550,9 953 1,409 739 735,8 Baca gazı(su 169,7 953 1,565 253 098,2 buharı) Yüzey ısı kayıpları 157 091,0 Diğer kayıplar 214,1 739980,7 Toplam 1 497,0 2 166 420,7 Proses sonucu çıkan maddelerin Sankey enerji dağılımı aşağıda gösterilmiştir. Enerjinin korunumu yasasına göre toplam enerjinin nerelere aktarıldığı gösterilmiştir. Şekil 4.2. Sankey enerji dağılımı Ortaya çıkan sonuçlar aşağıdaki gibi değerlendirilmiştir;  Malzemeye aktarılan enerjinin %13 civarında belirlenmesi fırının verimsiz çalıştığını göstermektedir. Yapılan analiz sonucunda malzemeye aktarılan enerjinin düşük çıkmasının önemli bir sebebi ise fırının kapasitesinden daha az malzeme ile yüklenmiş olmasındandır. Fırın yüksekliğinden dolayı eğik şekilde 57 2 adet boyler fırına yüklenebilmektedir. Bu durum hem emayenin pişmesini zorlaştırmakta ve kaliteyi etkilemekte hem de maliyetleri artırmaktadır. Bu durum göz önünde bulundurularak gerekli revizyon işlemleri uygulama aşamasında yapılmıştır.  Baca gazı oranının %40'lar seviyesinde olması fırın veriminin düşük olduğunu, baca gazı analiz sonuçlarının ise verimsiz yanmanın oluştuğunu göstermektedir. Bu durumun oluşmasındaki nedenlerden biri de brulörlerin ekonomik ömrünü tamamlamasından kaynaklandığı düşünülmektedir. O2 kontrolünün yapılmaması gibi hususlarda yanmanın verimsiz olmasına neden olmaktadır.  Yüzeylerden kaynaklana ısı kayıpları yaklaşık %7 olarak hesaplanmıştır. Alınan sıcaklıklar ortala değerler olurken yer yer daha fazla sıcaklıklar tespit edilmiştir. Özellikle brulörlerin olduğu bölümlerde yüksek ısı kayıpları bulunmaktadır. Fırının ömrü nedeniyle de kayıpların giderek arttığı izolasyon malzemesinin özelliklerini yitirdiği değerlendirilmektedir.  Ayrıca malzeme fırın içine girerken ve çıkarken kapıların açılması ve kapanması ayrıca önemli bir kayba yol açmaktadır. Tüm bu hususlar değerlendirilerek fırında 4.3 nolu bölümde anlatılan verimlilik çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 4.2. Uygulama Öncesi Fırın Ekserji Analizi 1 1 𝑊̇𝑡𝑟 = ∑ ?̇? (ℎ + 𝑣 2 + 𝑔𝑧 − 𝑇𝑜𝑆𝑔) − ∑ ?̇? (ℎ + 𝑣 2 + 𝑔𝑧 − 𝑇 2 2 𝑜 𝑆ç) 𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ç𝚤𝑘𝑎𝑛 ΔKE = 0, ΔPE = 0, T0= 295 K 𝑊̇𝑡𝑟 = ∑ ?̇? (ℎ𝑔 − 𝑇𝑜𝑆𝑔) − ∑ ?̇? (ℎç − 𝑇0𝑆ç) 𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 ç𝚤𝑘𝑎𝑛 Her bir girdi ve çıktı için entalpi ve entropi terimlerini özgül ısılar ile ifade ederek ekserji miktarları bulunur; 𝑊?̇? = ?̇?(𝑐𝑥𝑇𝑥 − 𝑇𝑜𝑐𝑥𝑙𝑛(𝑇𝑥/𝑇𝑜)) 58 Yukarıdaki bağıntı üzerinden hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Doğalgaz ekserjisi, 3.2.2.4 nolu bölümdeki hesaplama doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Çizelge 4.3. Fırına giren maddeleri ekserji analizi m ci Ti T0 ln Ti/T0 Wi Girdiler kg/h kJ/kgK K K kW Boyler 560,0 0,434 298 295 0,0101 19,92 Doğalgaz 37,4 2,22 298 295 0,0101 452,00 Hava 895,5 1,005 298 295 0,0101 73,75 Emaye 4,1 0,35 298 295 0,0101 0,12 Elektrik 12,00 Toplam 1 497,0 545,8 Aynı şekilde proses sonrası çıktılar doğrultusunda hesaplamalar gerçekleştirilmiş ve Çizelge 4.4' te yansıtılmıştır. Çizelge 4.4. Fırından çıkan maddelerin ekserji analizi m ci Ti T0 ln T i/T0 Wi Çıktılar kg/h kJ/kgK K K kW Boyler 562,3 0,434 1 133 295 1,345649 49,90 Baca Gazı 720,6 1,015 953 295 1,17264 123,34 Diğer Kayıplar 214,1 Total 1 497,0 173,20 Ortaya çıkan sonuçlar aşağıdaki gibi değerlendirilmiştir;  İstenilen yani boyler ekserjisinin giren ekserjiye oranı %9 civarında belirlenmiştir.  Enerji analizine göre kıyaslandığında daha düşük verim değerinin çıktığı görülmüştür. Ekserji analizinde çevre koşullarının da devreye girmesi verimin azalmasına neden olmuştur.  Gerçek fırın prosesler için bulunduğu çevre koşulları verimliliği doğrudan etkiler. Bu nedenle referans çevre koşulları dış sıcaklık T0 = 295 K ve basınç P0 = 1 bar olarak alınmıştır. Ekserji analizinde, fırında yapılan işlem sürekli akışlı açık sistem olarak kabul edilmiştir. 59 4.3. Uygulama Projeleri Fırının yakma sistemleri incelenmiş olup sistemin verimsiz çalıştığı tespit edilmiştir. Yakıcı brülörlerin reküperatörlü sistem ile değiştirilmesi verim artışı sağlayacağı öngörülmüştür. Mevcut sistemde 8 adet Parlock NP 20 konvansiyonel brülör bulunmaktadır. Her biri 100 kW olan brulörler ile toplam ısıl kapasite 688.000 kcal/h'dir. Şekil 4.3. Reküparatif brülör Emaye fırına yapılan etüt çerçevesinde öncelikle gelişen teknoloji ile yakıt sisteminin değişmesinin öncelikli olarak çalışılması sonrasında geri kazanım çalışmalarının yapılmasına karar verilmiştir. Bu nedenle 6 adet reküperatif brulör (Krom Schroder Eco Max) kullanımı ile sistemin çalıştırılabileceği hesaplanmıştır. Her biri 100 kW olan brulörülerin oluşturduğu toplam ısıl kapasite 516.000 kcal olmuştur. Böylelikle fırın çalışma sıcaklığı olan 860º C de 1 000 kg/saat pişirme kapasitesi sağlanmıştır. Şekil 4.3’te reküperatif brulör kesiti görülmektedir. Yanan gazların tahliyesi yapılırken aynı zamanda giriş havası ısıtılmaktadır. Böylelikle verim arttırılmaktadır. Aşağıdaki şekilde ise, fırın içerisine yerleştirilen reküperatif brulörler görülmektedir. 2 sağ yanda, 2 sol yanda ve 2 alt kısımda olmak üzere toplam 6 adet reküperatif brülör ile fırın yakıt sistemi değiştirilmiştir. Ayrıca ısının malzemeye transferi dolaylı yoldan olması gerektiği için P tipi radyant tüpler kullanılmıştır. Fırının yaklaşık 15 yıllık çalışma süresi olduğu için ve yapılan etüt çalışmasında duvar ısı kayıplarının olmasından dolayı izolasyon malzemesinin de değiştirilmesi öngörülmüştür. Toplamda 30 cm kalınlığın olacağı fırın duvarları Kalsiyum silikat plaka ( 240 kg/ m3 yoğunluk ) + vermuculite ( 375 kg/m3 ) + izole tuğla ( 550 kg/m3 yoğunluk ) şeklinde yapılmıştır. 60 Şekil 4.4. P tipi radyant tüpler ve izolasyon çalışmaları Endüstriyel fırınların, enerji verimli kullanılması için malzemeye ne kadar ısı aktarılacağını belirlenmesi, kayıp ve kaçakların azaltılmasının yanında en fazla malzemenin de yüklenebilmesi sağlanacak şekilde tasarlanması çok önemlidir. Çalışma yapılan fırın da emaye pişirilmesi yapılan 1.000 lt 'lik boylerlerden, boylerin boyutu nedeniyle çapraz 2 adet boyler emayesi pişirilebiliyordu. Fırın yüksekliğinin 30 cm yükseltilmesi ile 2 adet yerine 3 adet dik 1.000 lt'lik boyler emayesi pişirilebilir duruma gelindi. Böylelikle hem üretim kapasitesi artırılmış oldu. Hem de ürünlerin dik pişirilmesi ile ürün kalitesinde bir artış sağlandı böylelikle işçilik maliyetlerinde de bir azalma gerçekleşmiştir. Yukarıda anlatılanlar doğrultusunda fırında yapılan analizler sonucu baca gazı ısısından hala faydalanma potansiyeli olduğu görülmüştür. Yapılan analiz sonucunda yaklaşık 280 ºC civarında atık ısı sıcaklığı tespit edilmiştir. Bu atık ısının, emaye prosesine girmeden önce tank ve boylerlerin temizlendiği banyodaki sıcak suyu ısıtmak üzere kullanılan sıcak su kazanına destek vereceği planlanmıştır. Yapılan hesaplamalar doğrultusunda 40 000 kcal kapasiteye sahip ekonomizer seçilmiştir. Uygulama sonrası sonuçlar Çizelge 4.5’te belirtilmiştir. 61 Şekil 4.5. PLC ünitesi Yapılan çalışmalar doğrultusunda kumanda panosu da revizyonu gerçekleştirilen sisteme uygun olarak değiştirilmiştir. Fırın kontrolü PLC ile sağlanmıştır. PLC üzerinde zaman ayarlamaları kontrol edilerek, proses iyileştirme çalışmaları da yapılabilmektedir. Çizelge 4.5. Ekonomizer uygulaması sonuçları Ekonomizer Devrede Değilken Baca Gazı Sıcaklığı 281 ºC Ekonomizer Devrede İken Baca Gazı Sıcaklığı 145 ºC Ekonomizer Su Giriş Sıcaklığı 78 ºC Ekonomizer Su Çıkış Sıcaklığı 85 ºC Ekonomizer yapımı esnasındaki görüntüler ve ekonomizer panosundan alınan veriler aşağıdadır. Ekonomizer ile kazan arasına, kazan dönüş suyunun ekonomizere girmesini sağlayan, ekonomizerden de ısınan suyun kazana dönmesini sağlayan yaklaşık 85 mt. sirkülasyon hattı çekilmiştir. 62 Şekil 4.6. Ekonomizer ünitesi Şekil 4.7. Ekonomizer panosu 4.4. Fırın Uygulama Sonrası Enerji Analizi Emaye pişirme fırını verimlilik uygulamaları sonrasında elde edilen sonuçların tespiti için yapılan ölçümler ve analizler tekrarlanmıştır. Çizelge 4.6. Proses girdileri enerji dağılımı M T1 Cp Δh Girdiler kg/h K kJ/kgK kJ/h Boyler 840,0 298 0,434 108 638,9 Doğalgaz(yanma 1 171 787,0 ısısı) Doğalgaz (duyulur 24,9 298 2,22 16 472,8 ısı) Hava 403,8 298 1,007 121 174,7 Emaye 6,21 298 0,35 647,7 Elektrik 41 399,5 Toplam 1 274,9 1 460 120,7 63 Girdilerin kütle dağılımı aşağıda gösterilmiştir. Şekil 4.8. Proses girdileri enerji dağılımı Pasta grafiğinden görüldüğü üzere giren enerji miktarları azalmış olsa da birbirine yakın oranda malzeme girişi sağlanmıştır. Ayrıca bir proseste iki olan boyler sayısı üçe çıkartılmış kütlesel giriş 840 kg'a çıkmıştır. 1ton kapasitesi olan fırının daha iyi kapasitede çalışmasına olanak sağlanmıştır. Proses sonucunda çıkan maddeler Çizelge 4.7'de gösterilmiştir. Çizelge 4.7. Proses sonucunda çıkan maddeler M T1 Cp Δh Çıktılar kg/h K kJ/kgK kJ/h Boyler 844,1 1133 0,434 415 082,2 Baca gazı(yanma) 284,2 554 1,354 213183,0 Baca gazı(su 84,6 554 1,47 68 896,5 buharı) Yüzey ısı kayıpları 22 932,0 Diğer kayıplar 62,0 740027,0 Toplam 1.274,9 1 460 120,7 64 Proses sonucu çıkan maddelerin Sankey enerji dağılımı aşağıda gösterilmiştir. Enerjinin korunumu yasasına göre toplam enerjinin nerelere aktarıldığı gösterilmiştir. Şekil 4.9. Enerji dağılımı sankey diyagramı Ortaya çıkan sonuçlar aşağıdaki gibi değerlendirilmiştir;  Malzemeye aktarılan enerji yaklaşık %28 olarak belirlenmiştir. Uygulama öncesine göre önemli bir artış yaşanmıştır. Bu durumun birim kütle artışı ile spesifik enerji tüketiminin azalması ile oluştuğu değerlendirilmektedir.  Toplam enerjinin %15'i baca gazı ile atılmaktadır. Baca gazının hala kullanılabilir olduğu değerlendirilerek, emayeleme prosesi öncesi olan banyo prosesi sıcak suyunun baca gazı atık ısısından faydalanılarak elde edilmesi planlanmıştır. Aşağıdaki hesaplama doğrultusunda banyo prosesi için saatlik 35 000 kcal'nin atık ısıdan elde edildiği hesaplanmıştır. 𝑄 = m ∗ c ∗ (𝑇𝑔−𝑇ç) 𝑄 = 5 000 ∗ 1 ∗ (85 − 78) = 35 000 𝑘𝑐𝑎𝑙/ℎ 65  Toplam enerji miktarının 1 460.120,7 kj olduğu göz önünde bulundurulduğunda yaklaşık %10 verim elde edildiği görülmüştür.  Yüzey ısı kayıplarının oldukça azaldığı tespit edilmiştir. Yüzey kayıplarının en aza indirgenmesi için uygulama sürecinde teknik şartnamede, fırın yüzey ısısının ortam sıcaklığında en fazla 20 ºC fazla olabileceği belirtilmesi ile sağlanmıştır. Yüklenici firma da bu şartları sağlayabileceği izolasyon malzemesini kullanmak durumunda kalmıştır.  Diğer ısı kayıplarının uygulama öncesi enerji miktarlarına yakın olmasına rağmen oran olarak daha yüksek olduğu görülmektedir. Bunun nedeninin açıklık kayıplarının fırının yapısı gereği değişmemesinden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Toplam enerji miktarının azalması bu kaybın sabit kalması yüzdesel olarak oranı artırmıştır. 4.5. Fırın Uygulama Sonrası Ekserji Analizi Elde edilen yeni değerler üzerinden ekserji analizi tekrar gerçekleştirilmiştir. Çizelge 4.8. Fırına giren maddeleri ekserji analizi m ci Ti T0 ln Ti/T0 ψi Girdiler kg/h kJ/kgK K K kW Boyler 840,0 0,434 298 295 0,010118 29,88 Doğalgaz 24,9 2,22 298 295 0,010118 305,00 Hava 403,8 1,005 298 295 0,010118 33,26 Emaye 6,2 0,35 298 295 0,010118 0,18 Elektrik 11,50 Toplam 1 274,9 368,30 Ortaya çıkan sonuçlar doğrultusunda fırından çıkan maddelerin ekserji analizler gerçekleştirilerek, uygulama öncesi yapılan değerlendirmeler gözden geçirilmiştir. Çizelge 4.9. Fırından çıkan maddeleri ekserji analizi m ci Ti T0 ln Ti/T0 ψi Çıktılar kg/h kJ/kgK K K kW Boyler 844,1 0,434 1 133 295 1,34565 74,90 Baca Gazı 368,8 1,015 554 295 0,6319 38,27 Diğer Kayıplar 62,0 Total 1 274,9 113,2 66 Ortaya çıkan sonuçlar aşağıdaki gibi değerlendirilmiştir;  Boyler ekserjisinin, giren ekserjiye oranı %20.3 olarak tespit edilmiştir.  Uygulama öncesi ekserji verimi ile kıyaslandığında iki katından daha fazla verim artışı gözlemlenmiştir. Referans alınan çevre koşulları değiştirilmemiştir.  Ortaya çıkan sonuçların hem giren ekserjinin azalmasına hem de çıkan ekserjinin artışına bağlıdır. 67 5. TARTIŞMA VE SONUÇ Tez çalışmasında model alınan endüstriyel fırın için kütle dengesi sağlanarak öncelikle enerji analizleri ve referans alınan çevre koşullarına göre ekserji analizi yapılmıştır. Verimlilik projelerinin uygulanması sonrasında analizler tekrar gerçekleştirilmiş ve değerlendirmeler yapılmıştır. Endüstriyel fırınların verimliliği, bulunduğu çevre koşullarından doğrudan etkilnir. Enerji analizinde, çevre faktörleri tamamen göz ardı edildiğinden dolayı prosesle karşılaştırılırken enerji yönünden karşılaştırma yeterli olmayacaktır. Endüstriyel fırınların etkileşimde olduğu çevre, çalışma şartlarını değiştirmektedir. Bu sebeple ekserji analizi ile elde edilen ekserji verimi yönünden sistemlerin karşılaştırılması daha yerinde olacağı görülmüştür. Fırının bulunduğu koşullar için çevrenini referans basıncı (P0) 1 atm. Sıcaklığı 295 K alınmıştır. Ekserji analizleri için fırın yönüyle bazı kabuller yapılmıştır. Buna göre; fırına giren ve çıkan maddelerin entalpi ve entropi özellikleri üzerinde basıncın etkisi ihmal edilmiştir. Fırına giren ve çıkan madde akışlarında gazlar, ideal gaz karışımı olarak ele alınmıştır. Fırın sürekli akış halindedir ve fırına giren ve çıkan maddelerin kinetik ve potansiyel enerjiye ilişkin ekserji değerleri ihmal edilmiştir. 295 K sıcaklık referans alınarak yapılan analizler, sıcaklık değeri her seferinde 10 K düşürmek kaydı ile analizler tekrarlanmış ve aşağıdaki şekil sonuçlar elde edilmiştir. Çevre Sıcaklığına Bağlı Ekserji Verimi 21,4 21,2 21 20,8 20,6 Ekserji Verimi 20,4 20,2 20 19,8 295 285 275 265 255 Şekil 5.1. Çevre sıcaklığına bağlı ekserji verimi 68 Çevre sıcaklığına bağlı ekserji veriminde %4 ’lük br değişim gözlenmektedir. Özellikle düşük çevre sıcaklıklarında ekserji verimi üretilen entropideki düşüme bağlı olarak yükselmektedir. Bu yönüyle fırınlarda tersinmezliklerin değerlendirilmesi üretilen entropiye bağlı ekserji yıkımı ile açıklanabilir. Ekserji analizinin sonucunda sistem veriminin artırılması hedeflenir. Ekserji veriminin artırılabilmesi için tersinmezliklerin azaltılması gerekmektedir. Ekserji analizi sayesinde sistemdeki tersinmezliklerin yerleri belirlenip, alınacak önlemler sırlanır. Böylelikle tersinmezlikler azaltılarak verim arttırılır. Bu prosesler için mühendislik çalışmalarında hedef potansiyel “IP” geliştirme potansiyeliyle tanımlanır. IP  (1)(Ex giriş Exçııkış ) (5.1) Bu tür endüstriyel fırınlarda yüksek ekserji yıkımı, mühendislik yönüyle enerji geri kazanımı çalışmalarında dikkate alınması gereken parametredir. Fırında ekserji yıkım için geliştirme potansiyeli doğrudan fırının ekserji veriminin bir fonksiyonudur. Bu nedenle çevre sıcaklığının artması ekserji verimini azaltırken, geliştirme potansiyelini de artırmaktadır. Referans alınan sıcaklık değeri olan 295 K' de geliştirme potansiyeli 174 kW olarak belirlenirken, bu değer 320 K' de 180,7 olarak tespit edilmiştir. Verimliliğin artırılması ve birim maliyetlerin azaltılması için enerji verimli tasarımın da önemi çalışmada görülmüştür. Özellikle fırınlar planlama aşamasında en fazla materyali prosese dahil edecek şekilde tasarlanması tersinmezliklerin azaltılması ve verimin artırılması için önemli noktalardan biridir. Çalışma yapılan fırın ilk aşamada iki adet boyler prosese dahil olabilirken, revizyon ile bu sayı üçe çıkartılmıştır. Yapılan çalışmada örnek bir fırın üzerinden yapılan çalışma ile birlikte, sanayi de önemli kullanım alanı olan fırınlarda verimlilik potansiyeli belirlenmeye çalışılmıştır. Bu potansiyelin kullanılması için yapılabilecek çalışmalar aşağıda sıralanmıştır;  Optimum yalıtım kalınlıkları belirlenerek, kayıplar azaltılabilir.  Tünel fırın kullanımı yaygınlaştırılarak, proses kayıpları azaltılabilir.  Üretim planlaması yaparak, fırın optimum kapasitede kullanılması sağlanabilir. 69  Yakma havası sıcaklığı kontrol altına alınarak verimlilik sağlanabilir.  Atık ısı kullanılarak, reküperatör vasıtası ile yakma havasında ön ısıtma sağlanabilir.  Reküperatif veya rejeneratif brulör kullanılarak, atık ısı kullanılabilir.  Atık ısı, ekonomizer vasıtası ile sıcak su kullanabiliriz.  Yakıt-hava karışımı optimizasyonu ile enerji verimliliği sağlanabilir. Her geçen gün enerji kullanımı artan sanayimizde, önemli enerji tüketicilerinin verimlilik potansiyeli kullanılarak, rekabet gücümüzü arttırmak sanayimizin güçlü kalmasını sağlayacaktır. Örnek alınan fırın çalışmasında verimlilik arttırıcı proje hazırlanmış ve proje bedelinin %50’si hibe olarak İstanbul Kalkınma Ajansından alınmıştır. Yıllık yaklaşık 100bin TL tasarruf planlanmış ve uygulama sonrası ölçümler ile tasarruf tespit edilmiştir. 70 KAYNAKLAR Anonim, 1999. Baca Gazı Emisyon Ölçümü, Mühendis El Kitabı, Makina Mühendisleri Odası, Yayın No:233. Anonim, 2009. TÜBİTAK TTGV Bilim Teknoloji Sanayi Tartışmaları enerji Teknolojileri Politikası, I. Alt Grubu Enerjinin Etkin Kullanımı Ve Enerji Tasarrufu Çalışma Taslağı Anonim, 2014. BP Statistical Review of World Energy Anonim, 2015. Akfelgaz, Sanayide 1.000 kcal Isı İhtiyacı İçin Gerekli Olan Çeşitli Yakıtlar İçin Maliyet Karşılaştırma Tablosu. http://www.akfelgaz.com/wp- content/uploads/2013/03/price_table_ind_nov_15_tr.pdf(Erişim tarihi:28.02.2016 ). Aran, A. 2007. Döküm Teknolojisi “İmal Usulleri Ders Notları”, İTÜ Makina Fakültesi, s. 83-89. Arıkol, A. 1984. Ekserji Analizine Giriş, Ders Notları Bejan, A. Tsatsaronis, G. Moran, M. 1995. Thermal Design And Optimization, Wiley – Interscience Publication, New York Brodyansky, V.M., Sorin, M.V. ve Le Goff, P., 1994, The Efficiency of Industrial Processes: Exergy Analysis and Optimization, Elsevier Science B.V. Cornelissen, R. L. 1997. Thermodynamics and sustainable development The use of exergy analysis and the reduction of irreversibility. http://doc.utwente.nl/32030/ Çalıkoğlu, E. 2012. Türkiye’de Yenilenebilir Enerji Ve Enerji Verimliliği, Yeşil Enerji’de Danimarka ile Fırsatlar Konferansı, İstanbul Çengel, Y.A. Boles, M.A. 2011. Termodinamik Mühendislik Yaklaşımıyla, Çeviri:Pınarbaşı. A, Güven Bilimsel, İzmir, s. 753-764. Dinçer, İ. Rosen, M. A. 2005. Thermodynamic Aspects Of Renewable And Sustainable Development, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 9, s. 169-189. Hepbasli, A. Gunerhan, H. Ulgen, K. “Enerji Yönetim Sisteminin Altin Anahtarlari: Enerji Denkliği ve Enerji Tasarrufu Etüdü, V. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi. Karakış, E. 2013. Türkiye 2013 Yıllık Enerji İstatistikleri Raporu, Enerji İstatistikleri Daire Başkanlığı Kavak, K. 2005. Dünya’da Ve Türkiye’de Enerji Verimliliği Ve Türk Sanayiinde Enerji Verimliliğinin İncelenmesi, DPT İktisadi Sektörler ve Koordinasyon Genel Müdürlüğü 71 Kaya, D. ve Eyidogan, M. 2010. “Energy Conservation Opportunities in an Industrial Boiler System”, J. Energy Engineering, Cilt 136, No 1, s. 18-25. Kartal, E. 2001. Yanma ve Yanmanın Optimizasyonu, TTMD Dergisi 16 Keenan, J. H. Thermodynamics, 3 Rd. Ed. Wiley, New York Mançuhan, E. 2009. Analysis And Optimization Of Drying Of Green Bricks İn A Tunnel Dryer, Drying Technology, s. 707-713. McAllister, S. Chen, J. and Fernandez-Pello, A. C. 2011. Fundamentals of Combustion Processes, 1st Edition. Springer, USA, s. 18-20. Özgener, L. Hepbaşlı, A. 2003. HVAC Sistemlerinde Ekserji Analizinin Gerekliliği Ve Uygulamaları, Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, Sergisi, İzmir, s. 609-610. Shukuya, M. Hammache, A. 2002. Introduction to the Concept of Exergy - for a Better Understanding of Low-Temperature-Heating and High-Temperature-Cooling Systems, Research Notes 2158 VTT Building and Transport, Lämpömiehenkuja 3, P.O.Box 1804, FIN–02044 VTT, Finland Söğüt, M.Z.2009. Çimento Sektöründe Döner Fırın Prosesinin Eksergoekonomik Optimizasyonu, Balıkesir Üniversitesi, Doktora Tezi Balıkesir Şenel, A. 2003. Buhar Püskürtmeli Gaz Türbinli Kojenerasyon Sistemlerinin Termoekonomik Optimizasyonu, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Utlu, Z. Hepbaşlı, A. Turan, M. 2011. X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, Bir Endüstriyel Kurutucu Fırınının Termodinamik Analizi Vatandaş, S. Söğüt, Z. Kipoğlu, O. 2015. Endüstriyel Fırınlarda Enerji ve Ekserji Analizi, 6. Enerji Verimliliği Forum ve Fuarı, İstanbul Wall, J. Cong, M.2001. “An Exergy And Sustainable Development- Part 2; Indicators And Methods”, Exergy Int. J, 1(4), s. 217–233. Wall, G. 1986. Exergy Flow in industrial processes”, Physical Resource Theory Group, Chalmers University of Technology and University of Göteborg, s. 412 Yazıcı, N. 2004. Emaye Kaplama Yöntemleri ve Organik Toz Boyalarla Metal Yüzeylerin Kaplanması, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü Temel Bilimler Fakültesi, s. 9-15. 72 EK 1 8th International Exergy, Energy and Environment Symposium (IEEES-8), May 1-4, 2016, Antalya, Turkey IEEES – 2016 –0256 Emaye Fırınlarında CO2 Emisyon Ölçümleri ile Tersinmezliklerin İncelenmesi 1*Sedat Vatandas, 2Atakan Avcı, 3M.Ziya Söğüt, 11Enervis Enerji Verimliliği ve Yönetimi Birim Yöneticisi 2Uludağ Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü 3Piri Reis Üniversitesi Denizcilik Fakültesi E-mail: sedat.vatandas@enervis.com.tr, atakan@uludag.edu.tr,mzsogut@gmail.com Özet Türkiye'de enerji kullanımının özellikle sanayide giderek artması, enerji verimliliğine olan ihtiyacı her geçen gün ön plana çıkartmaktadır. Enerjideki dışa bağımlılık, artan enerji maliyetleri ve rekabet unsuru, enerji verimliliğini yeni bir enerji kaynağı şeklinde ele alınması gerekliliği ortaya koymaktadır. Aynı anda, rekabetçiliğin arttırılması, enerji maliyetlerinin ve çevresel etkilerin azaltılması sadece enerji verimliliği ile sağlanabilmektedir. Bu çalışmada öncelikle işletmenin yüksek enerji tüketimine sahip bir emaye pişirme fırınının enerji ve ekserji analizi yapılmış ve fırında yapılan iyileştirme çalışmaları değerlendirilmiştir. Yapılan analizlerde tersinmezlik oranı yaklaşık %88,71 bulunmuştur. Daha sonra, yapılan iyileştirme doğrultusunda emisyon azaltımı ile sağlanan ekonomik tasarruf da incelenmiştir. Çalışmada tersinmezlik’e bağlı CO2 emisyonları bunlardaki değişimler de ayrı ayrı ele alınmıştır. Çalışmanın sonunda, yapılan iyileştirmenin ekserji ve çevresel etkiler değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler; Emaye fırınları, enerji analizi, ekserji analizi, CO2 emisyonu, tersinmezlik Abstract “The increasing use of energy in Turkey, especially in industry, the need for energy efficiency raises to the forefront every day. External dependence on sources of energy, energy costs and competitive factors, addressed the energy efficiency to take into account as a new energy source. At the same time, increasing competitiveness, reducing energy costs and decreasing environmental impacts can be achieved only through energy efficiency. In this study, primarily energy and exergy analysis of enamel owen is made which has a significant energy consumption in the facility then energy efficiency improvements are evaluated. Due to the analysis, exergetic irreversibility found approximately 88.71%. Finally, economic savings provided by emission reductions are evaluated in accordance with improvements. Exergetic irreversibility due to changes in their CO2 emissions are discussed separately in this study. Exergetic and environmental effects of improvements are assessed. Keywords:“Enamel OVens, energy analysis, exergy, analysis, CO2 emissions, irreversibil 73 yinelenerek çalışmalar değerlendirilmiştir. I. Giriş Analiz sonuçlarına göre enerji geri kazanım potansiyeli değerlendirilmiş ve bu Küresel ısınmanın oluşturduğu tehditlerin potansiyelin kullanılabilmesi için gerekli gittikçe arttığı günümüzde, çözüm önerileri hususlar tespit edilmiştir. için birçok çalışma yapılmaktadır. Yapılan çalışmalar sonucu ortaya koyulan çözüm II. Endüstriyel Fırınlar önerilerinin uygulanabilirliğine ve maliyetlerine bakıldığında enerji Endüstriyel fırınlar, metalurjik üretimlerde verimliliğinin önemi bir kat daha ve toprak sektörü üretimlerinde yüksek artmaktadır. (sülfür yağmuru, aynalar 2bin sıcaklıklarda ergitme, ısıl işlem, m’2)Enerji giderlerinin azaltılması ve temperleme amaçlı çalıştırılmakla birlikte karbon emisyonlarının azaltılması sadece gıda sanayi gibi bazı alanlarda düşük enerji verimliliği ile sağlanabilmektedir. sıcaklıklarda pişirme, kurutma, Enerjinin yaklaşık yarısının kullanıldığı fermantasyon amaçlı kullanılmaktadır. sanayi alanında enerji verimliliğinin sağlanması rekabet gücü ve çevresel Toplam sanayi enerji tüketimi içinde etkilerin azaltılması açısından son derece önemli bir paya sahip olan metal ana önemlidir. Enerji ihtiyacının ve sanayinde yüksek ısı bölgelerinde çalışan maliyetlerinin giderek arttığı günümüzde fırınlara örnek olarak; kuruluşların birim ürün enerji maliyetlerini düşürmeden rekabete devam etmeleri  Emaye pişirme 600 °C - 1100 °C olanaksızdır.  Metallarin ısıl işlemleri 1100 °C  Haddeleme, ekstrüzyon, presleme Sanayi tesislerinde en önemli enerji gibi ısıl işlemler ve seramik tüketicilerinden biri de endüstriyel malzemelerin pişirilmesi 1350 °C fırınlardır. Endüstriyel fırınların bulunduğu  Metallerin ergitme ve izabesi 1700 proseslerde hammaddeden sonra en büyük °C girdi enerji maliyetidir. Yüksek sıcaklıkta çalışan fırınların önemli miktarda enerjisi verilebilir. faydalı enerjiye dönüştürülmeden kaybedilmektedir. Sanayide ulaşılmak Fırınlar ısı üretme metoduna göre elektrikli istenen enerji verimliliği hedefleri için fırınlar ve yanma(yakıt kullanan) oluşan endüstriyel fırınlar önemli bir potansiyel fırınlar iki ana gruba ayrılabilirler. Yanma taşır. Endüstriyel fırınlarda, kayıpların oluşan fırınlar, kullandıkları yakıt türlerine minimize edilmesi ve ekonomik olarak geri göre katı, sıvı ve gaz yakıtlı fırınlar olarak kazanılması endüstriyel tesiste enerji sınıflandırılabilir. verimliliği sağlayarak kazanç olarak geri dönecektir. Elektrikli fırınlar, ark fırını ve ya indüksiyon fırını olarak çalışmaktadır. Bu çalışmada, emaye pişirme fırını örnek Çalıştırılmasının ve yönetilmesinin kolay alınarak mevcut durumu tespit etmek olması herhangi bir baca gazı çıkış amacıyla, fırına aktarılan enerji ve proses olmadığından dolayı baca gazı kaybının sonrası faydalı enerjiye dönüşen kısım olmaması avantajları arasında sayılabilir. hesaplanarak enerji ve ekserji analizi Ancak yakıtın pahalı olması dezavantaj yapılmıştır. Sonrasında fırının olarak göze çarpmaktadır. Günümüzde iyileştirilmesi için yapılan çalışmalar plazma ark, lazer, radyo frekansı, anlatılmıştır. Verimlilik artırıcı çalışmalar elektromanyetik ısıtma ve ya sonrası enerji ve ekserji analizleri 74 kombinasyonları ile ısıtma sağlanabilmektedir. Yakıt kullanılan fırınlarda ısının transfer edilme şekline göre, çalışma durumuna göre, ısı geri kazanımının sağlama şekline göre, farklı şekillerde sınıflandırılır. Endüstriyel fırın tasarımı, maksimum oranda ürüne homojen şekilde ısının yayılmasını sağlayacak şekilde yapılması gerekmektedir. Ürünlerde istenilen kalitenin sağlanmasının yanında birim ürün başına harcanan enerjinin sürekli olarak kontrol altında tutulması gerekmektedir. Fırınların, belirlenen sürede mümkün olan en fazla materyali, tüm bölgede aynı sıcaklığın oluşacağı, bunu en az yakıt ve işçilikle sağlayacak şekilde tasarlanmaları enerji verimliliğinin sağlanması için ilk ve en önemli adımıdır. Bu durumun sağlanması için tasarım aşamasında aşağıdaki kriterlerin belirlenmesi gerekmektedir;  Malzemeye ne kadar ısı aktarılacağını belirlenmelidir.  Kayıplar ve kütlenin ısıtılması için Çalışma yapılan fırın ısıtma sektöründe gereken ısının belirlenmesi. kullanılmak üzere üretilen tank ve boyler içine tatbik edilen emayenin pişirilmesi Bu hususlar belirlendikten sonra, için kullanılmaktadır. Metal şekillendirme, kayıpların ne kadar minimize edileceği, kaynak, yağ alma ve temizleme izolasyon malzemesi olarak ne proseslerinden geçen tank ve boyler kullanılacağı, fırın kütlesinin sıcaklığının emayeleme ve kurutma işlemi sonrası nasıl dengeleneceği ile ilgili çalışmalar emaye pişirme kutu fırınına alınmaktadır. yapılmalıdır. Ebatlarına göre farklı sayıda tank ve boyler, fırına alınarak 860 °C işleme alınmaıktadır. 75 III. Teorik Analiz yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Bir proseste genel ekserji dengesi (Szargut vd., Endüstriyel fırınlar termal proses olarak 1998); ele alınırlar ve termodinamiğin birinci ve ikinici yasası kapsamında sürekli akışlı Ex = Exk + Exp + Exfiz+ Exkim (4) sistemler olarak analiz edilirler. Bu tür sistemlerde enerji ve ekserji analizlerin Burada Ek kinetik ekserjiyi, Ep potansiyel yapılabilmesi için öncelikle prosese giren ekserji, Efiz fiziksel ekserji, Ekim kimyasal ve çıkan maddelerin sıcaklık, özgül ısı ekserjiyi ifade etmektedir. kapasitesi ve kütlesel debileri ile çevre şartlarının tanımlanması gerekir. Fırınların Fırınlar sürekli akış özelliği dikkate performans değerlendirilmesinde alındığında ekserji dengesi; öncelikle giren ve çıkan maddeler için . . . oluşturulan kütle dengesi (Sogut ve  Ex g  Exç  l (5) Oktay, 2006); . . . dir (Söğüt, 2005). Ex giren ekserjiyi, g mg mç (1) . . Exç çıkan ekserjiyi,  l ekserji yıkımını şeklinde ifade edilir. Enerji, birinci yasa tanımlar. Bu sistemlerde potansiyel, kapsamında korunur bir özelliktir. Bu kinetik ve kimyasal ekserjiler ihmal durumda fırın için kütlesel debi, iş ve ısı edilmesi durumunda genel ekserji dengesi ; etkisiyle oluşan genel enerji dengesi ise; . . . . . . . E Eç (2) T g (1 0 )Qk Wm  m l (6) g g ç ç T1 . . . . Q  m hg gW  mç hç (3) . şeklinde yazılabilir. Burada Q , T k k ürün sıcaklığında sistem sınırlarından şeklinde yazılabilir (Sogut ve Oktay, 2006; . . geçen ısı transfer oranı, W iş miktarı, Balkan vd., 2005). E Giren toplam g akış ekserjisi, s entropi, 0 indisi ise . enerji miktarını, E çıkan toplam enerji çevrenin ölü hal (P0 ve T0) şartlarındaki ç miktarını, denklem (3)’te ise; durumu ifade etmektedir. Bu durumda . . . . kütle ve materyal akışının ekserjisi; Q Q Q Q toplam ısı miktarını, net g ç . . . . W W W W g ise çıkan net iş   (h h0 )T0 (s  s )net ç 0 (7) miktarını ifade eder. “h” ise giren ve çıkan maddelerin entalpi değeridir. dir. Sistemlerde performans değerlendirmesi verimlilik ile tanımlanır. Verimlilik kısaca Termodinamiğin birinci yasası sistemlerde sistemlerde elde edilen çıktının girdiye oranı yöne bağlı bir özellik vermezken sadece olarak tanımlanır. Birinci yasa kapsamında enerjinin nicel ölçüsünü tanımlar. Gerçek yapılan analizlere bağlı olarak prosesin enerji sistemlerde tersinmezlikler ve çevresel verimliliği; şartların değişmesiyle birlikte enerji . (8) kaybederler. Süreçte entropi üretimi olarak Eçı  değerlendirilen bu durum termodinamiğin . E g ikinci yasasına göre ekserji kavramı ile ifade edilir. Ekserji bir sistemde sahip olduğu çevre koşulları için maksimum iş 76 . denklemiyle bulunur. Burada Van Gool tarafından belirtilmiştir. Sonuç  Eç olarak, farklı prosesleri veya ekonomide . prosesten çıkan toplam enerjiyi, E g sektörleri analiz ederken 'iyileştirme prosese giren toplam enerjiyi gösterir. potansiyeli' kavramını kullanmanın yararlı Prosesin ekserji verimliliği ise olduğunu öngörmüştür. . Ex ç ıı  (9) . Hammond ve Stapleton iyileştirme Exg potansiyelini IP olarak ifade ederek denklem 12'de oran formunda belirmiştir. denklemi ile hesaplanır (Cornelissen 1997). Termal sistemlerde enerji kayıplarının yol IP  (1)( g   (12) ç ) açtığı CO2 emisyonu, kullanılan yakıt türüne ve atık enerji potansiyelinin IV. Enerji ve ekserji analizler bağlıdır. Emisyon miktarı aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir. Model alınan emaye pişirme fırınının öncelikle kütle dengesi sağlanarak  Q öncelikle enerji analizleri ve referans CO W CO  22 (10) alınan çevre koşullarına göre ekserji analizi  I yapılmıştır. Bu ifade de CO birim enerji CO2 emisyon Tablo 1. 2 faktörü, ve Q ise toplam atık enerji W Giren maddeler miktarıdır. Atık enerjinin geri M T1 Cp Δh kazanılabilme potansiyeli olan Madde kg/h K kJ/kgK kJ/h çalışmalarda, endüstriyel fırının neden Tank 279,28 293 0,434 35513,31 olduğu toplam CO2 emisyonu dikkate Doğal gaz 40,2 293 1,89 1387945 alınmalıdır. Bundan dolayı toplam CO2 Hava 35,7 293 1,007 10435,17 emisyonu (CO2 ) 11 nolu denklemde Emaye 2,07 293 0,35 212,21 ifae edilmiştir. Elektrik 4,3 Toplam 357,25 1434110 CO Q    Q  2 W CO i 2 j BW j (11) Çıkan maddeler CO2  CO2i  CO   i    2 j  (1 )    Ri   I i  I j M T1 Cp Δh  Madde kg/h C kJ/kgK kJ/h Bu denklemde QW toplam Tank 279,28 1133 0,434 137326,2 Baca gazı 77,64 923 1,55 111070,9 enerji(çalışmada iyileştirme potansiyeli Toplam 356,91 248397,1 üzerinden hesaplama yapılmıştır), ise rasyonel ekserji verimidir.  çevre Yapılan bu analizlere göre fırının enerji sıcaklığının, fırın giriş ve atık ısı verimliliği eşitlik 8’den yararlanılarak sıcaklığının fonksiyonudur. fırından çıkan madde enerji miktarının fırına giren enerji miktarına oranı olarak Bir prosesin ve ya sistemin ekserji tanımlanır. Buna göre fırının enerji verimi veriminin maksimum hale getirilmesi için, %17,3 bulunmuştur. ekserji kaybı ve ya tersinmezliğin (Ex  Ex ) minimize edilmesi gerekliliği 248397,1in out mç.hç ∑ =  0,173 1 mg.hg 1434110 77 Gerçek fırın prosesler için bulunduğu çevre Analizler sonuçlarına göre fırın koşulları verimliliği doğrudan etkiler. Bu verimliliğin çok düşük olduğu tespit yönüyle termodinamiğin ikinci yasasına edilmiş ve nedenleri araştırılmıştır. bağlı ekserji analizleri önem kazanır. Nedenlere bakıldığına fırın yüzey Ancak ekserji analizleri için öncelikle alanlarındaki ısı kayıplarının çok olması, çevre parametrelerinin tanımlanması yakma sisteminin verimsiz olması ve gerekir. Fırının bulunduğu koşullar için malzemeye göre optiumum tasarımın çevrenini referans basıncı (P0) 1 atm. olmadığı görülmüştür. Aynı zamanda atık Sıcaklığı 25 °C alınmıştır. Ekserji ısının değerlendirilmesi gerekliliği de analizleri için fırın yönüyle bazı kabuller değerlendirilmiştir. yapılmıştır. Buna göre; fırına giren ve çıkan maddelerin entalpi ve entropi Resim 1. İzolasyon kayıpları özellikleri üzerinde basıncın etkisi ihmal edilmiştir. Fırına giren ve çıkan madde akışlarında gazlar, ideal gaz karışımı olarak ele alınmıştır. Fırın sürekli akış halindedir ve fırına giren ve çıkan maddelerin kimyasal, kinetik ve potansiyel enerjiye ilişkin ekserji değerleri ihmal edilmiştir. Kabullere göre fırının ekserji Resim 2. İzolasyon kayıpları analizi yapılmış ve sonuçlar Tablo 2’de verilmiştir. Tablo 2. Giren maddeler M T1 Cp Δh Δs ψi Madde kg/h C kJ/kgK kJ/h kJ/K kJ/h Tank 279,2761 293 0,434 35513,31 8,569 33173,87711 Doğal gaz 40,2 293 1,89 1387945 5,372 1386478,724 Hava 35,36733 293 1,007 10435,17 2,518 9747,755379 Emaye 2,06932 293 0,35 212,21 0,051 198,2307858 Grafik 1. Elektrik 4,3 0 4,3 Toplam 356,9128 1434110 16,51027 1.429.602,89 Çıkan maddeler M T1 Cp Δh Δs ψi i Madde kg/h C kJ/kgK kJ/h kJ/K Tank 279,28 1133 0,434 137326,2 172,4968 90234,5888 Baca gazı 77,64 923 1,55 111070,9 146,5955 71050,2978 Toplam 356,91 248397,1 319,0923 161.284,89 Fırının ekserji verimi, fırından çıkan maddelerin toplam ekserjisinin giren maddelerin toplam ekserjisine oranı olarak tanımlanır. Buna göre fırının ekserji Bu bilgiler doğrultusunda fırın yakma verimi; sistemi değiştirilerek 8 adet konvansiyonel  brülör yerine 6 adet reküperatif brulör Exç = 1429602,89 ∑  0,1128  kullanılmıştır. Aynı zamanda değiştirilen Exg 161284,89 yakma sistemine uygun şekilde kontrolün sağlanması için fırın panasu da bulunmuştur. yenilenmiştir. 78 Fırın izolasyon sistemi kayıp kaçağı Tablo 3. engelleyecek şekilde yenilenmiştir. Giren maddeler Reküperatif brulör ile atık ısının M T1 Cp ΔhMadde kg/h C kJ/kgK kJ/h düşürülmüş olmasına rağmen atık ısının Tank 449,9449 293 0,434 57215,8883 azami seviyede kullanılması amacıyla yağ Doğal gaz 26,8 293 1,89 925296,8 alma prosesinin olduğu banyo bölümü Hava 58,49283 293 1,007 17258,3685 suyunun ısıtlması için ekonomizer Emaye 3,10398 293 0,35 318,313149 kullanılmıştır. Elektrik 4,3 Toplam 538,3417 1.000.094 Çıkan maddeler Resim 3. Reüperatif brulör M T1 Cp Δh Madde kg/h C kJ/kgK kJ/h Tank 449,945 1133 0,434 221247,786 Baca gazı 88,397 923 1,55 126464,899 Toplam 538,342 347.713 Yapılan bu analizlere göre fırının enerji verimliliği eşitlik 8’den yararlanılarak Resim 4. Fırın içi yerleşim fırından çıkan madde enerji miktarının fırına giren enerji miktarına oranı olarak tanımlanır. Buna göre fırının enerji verimi %35 bulunmuştur. Tablo 4. Giren maddeler M T1 Cp Δh Δs ψi Madde kg/h C kJ/kgK kJ/h kJ/K kJ/h Tank 449,9449 293 0,434 57215,89 13,806 53446,80 Doğal gaz 26,8 293 1,89 925296,8 3,581 924319,15 Hava 58,49283 293 1,007 17258,37 4,164 16121,48 Emaye 3,10398 293 0,35 318,3131 0,077 297,34 Elektrik 4,3 4,3 Toplam 538,3417 1000094 21,629 994.189,07 Çıkan maddeler M T1 Cp Δh Δs ψi i Madde kg/h C kJ/kgK kJ/h kJ/K Tank 449,945 1133 0,434 221247,8 277,908 145379,0063 Baca gazı 88,397 923 1,55 126464,9 166,906 80899,58467 Toplam 538,342 347712,7 444,814 226.278,59 Yapılan çalışmalar sonrasında enerji ve ekserji analizleri yenilenmiştir. Yapılan bu analizlere göre fırının ekserji verimliliği eşitlik 9’dan yararlanılarak % 22,73 bulunmuştur. V. CO2 Emisyon Ölçümleri Yapılan çalışmalar sonucunda ekserji verimleri sırasıyla %11,28 ve %22,73 bulunmuştur. 79 Denklem 12' den yararlanarak fırın gelişrmelere bağlı olarak, fırın yakıt iyileştirme potansiyeli (IP) proje öncesi sistemi değiştirilmiştir. 1.125.229, proje sonrası ise 594.060 olarak belirlenmiştir. Denklem 10 kullanılarak Fırının, proje öncesi enerji ve ekserji aşağıdaki tablo hazırlanmıştır. verimi ile proje sonrası enerji ve ekseji verimi arasında yaklaşık iki kat bir değer Tablo. 5 artışı görülmektedir. Aynı şekilde emaye pişirme fırını iyileştirme potansiyeli iki kat CO2 Ekserjetik İyileştirme CO2 azalmıştır. Ekserji verime bağlı CO2 CO2 Emisyon Verim Potansiyeli (kg CO2/h) Emisyon Faktörü emisyonu ise dört kat azalmıştır. İyileştirme Öncesi 11,28% 1.125.229 0,2 1.995.087 Ayrıca fırında yapılan tasarımsal değişikle İyileştirme birim zamanda daha fazla üretim Sonrası 22,73% 594.060 0,2 522.710 sağlanarak, birim üretim başına CO2 İyileştirme öncesi ve sonrası CO2 azalımı gerçekleşmiştir. Bu durum, enerji miktarları üzerinden verimli tasarımının da enerji verimliliğinde ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. (CO2iö / CO2is)/CO2iö Referanslar denklemi ile %74 oranında CO2 bir tasarruf potansiyeli belirlenmiştir. Balkan, F., Colak N., Hepbasli, A., Performance evaluation of a triple-effect evaporator with forward feed using exergy analysis, Int. J. Energy Res. 29 (2005) 455- VI. Sonuç ve Değerlendirmeler 470. Yapılan çalışmalarda, enerji verimliliği Chen X., Zhang Y., Zhang S., Chen Y., Liu S., Exergy projelerinin, enerji üretme projelerinden analysis of iron and steel eco-industrial systems The third ınternatıonal Exergy, energy and Envıronment daha kısa sürede kendisini ödediği symposıum görülmektedir. Bu yüzden işletmelerin enerji verimlilği projelerini sürekli olarak Cornelissen R.L., Thermodynamics and sustainable development: The use of exergy analysis and the düşünmeleri ve sistematik olarak bu reduction of irreversibility, Ph.D thesis, University of projeleri gerçekleştirmesi gerekmektedir. Twente, The Netherlands, 1997. Enerji verimliliği çalışmalarında, enerjinin yoğun olarak kullanıldığı proseslere G.P. Hammond, A.J. Stapleton, Exergy analysis of the United Kingdom energy system, Proceedings of the odaklanılması yüksek oranda enerji Institute of Mechanical Engineers, 215 (2) (2001) 141– verimliliği elde edilmesini 162. sağlayabilmektedir. Hazi A., Badea A., Hazi Gh., Necula H., Grigore R., Exergy Evaluation of Renewable Use in the Pulp and Yapılan çalışmada işletmede önemli tükeci Paper Industry, Paper accepted for presentation at 2009 olarak tespit edilen emaye pişirme fırını IEEE Bucharest Power Tech Conference, June 28th-July incelenmiştir. Öncelikle kayıp ve kaçaklar 2nd,Bucharest,Romania tespit edilmiş sonrasında ise teknolojik http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=httpA2F2 gelişmeler doğrultusunda fırının verimi Fieeexplore.ieee.org2Fiel52F52718562F52817812F0528 artırılmıştır. Birim zamanda daha fazla 1935.pdf3Farnumber3D5281935&authDecision=-203 üretimi sağlayabilmek için fırın yüksekliği http://www.beeindia.in/energy_managers_auditors/docu arttırılmış ve proses başına daha önce 2 ments/guide_books/2Ch4.pdf adet 1.000 lt 'lik boylerler pişirme işlemine tabi tutulurken iyileştirme sonrası 3 adet Utlu Z., Hepbasli A., Turan M., Thermodynamic analyses of a Industrial dryer mill, X National Sanitary boyler pişirilmektedir. Ayrıca teknolojik Engineering congress, 13/16 April 2011, İzmir/Turkey 80 Söğüt M. Ziya, Çimento fabrikasında enerji taraması ve üretim hattı ısı proseslerinde enerji ve ekserji analizi yüksek lisans tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, Mayıs, 2005 Söğüt Z., Oktay Z. Karakoç H., “Mathematical modeling of heat recovery from a rotary kiln” Applied Thermal Engineering 30 (2010) 817–825 Szargut, J., Morris, D.R., Steward, F.R., Exergy Analysis of Thermal and Metallurgical Processes, Hemisphere Publishing Corporation, 1988. Tübitak TTGV Bilim Teknoloji Sanayi Tartışmaları Enerji Teknolojileri Politikası W.Trinks, M. H. Mawhinney, R. A. Shannon, R. J. Reed, J. R. Garvey ’’Industrial Furnaces’’ Sixth Edition 81 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Sedat VATANDAŞ Doğum Yeri ve Tarihi : İzmir.28.09.1982 Yabancı Dili : İngilizce (İyi), Almanca (Başlangıç) Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl) Lise : İzmir Şemikler Lisesi 2000 Lisans : Uludağ Üniversitesi 2005 Çalıştığı Kurum/Kurumlar ve Yıl : Enervis Enerji Servis San. Ve Tic. A.Ş (2013-…) BEBKA(2010-2013) Mako Elektrik San. Ve Tic. A.Ş (2007-2010) Atalan Makine Ltd. Şti. (2006-2007) İletişim (e-posta) : sdtvatandas@gmail.com Yayınları : Avcı, A. Söğüt, Z. Vatandaş, S. 2016. Emaye Pişirme Fırını Verimlilik Projesi Enerji Ve Ekserji Analizlerinin Gerçekleştirilmesi, 8. Uluslararası Ekserji, Enerji ve Çevre Sempozyumu, Antalya Vatandaş, S. Söğüt, Z. Kipoğlu, O. 2015. Endüstriyel Fırınlarda Enerji ve Ekserji Analizi, 6. Enerji Verimliliği Forum ve Fuarı, İstanbul Vatandaş, S. Yıldız, S. Kipoğlu, O. İnciroğlu, E. 2014. Tekstil Sektöründe Enerji Verimliliği, 14. AUTEX Dünya Tekstil Konferansı, Bursa Vatandaş, S. Kipoğlu, O. İnciroğlu, E. 2014. Sanayide Aydınlatmanın Önemi, 5. Enerji Verimliliği Forum ve Fuarı, İstanbul 82