CMS JANT KOMPRESÖR MOTORU SOĞUTMA HAVASI ATIK … · Kanal Basınç Kaybı Hesabı 4.3.1.1. 1-3 Noktaları Arasındaki Basınç Kaybı ... Soğutma Havası ve Kazan Yakma Havası

T.C DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

CMS JANT KOMPRESÖR MOTORU

SOĞUTMA HAVASI ATIK ISISININ

DEĞERLENDİRİLMESİ

BİTİRME PROJESİ

VOLKAN DEMİRCİ

Projeyi Yöneten

Doç. Dr. Serhan KÜÇÜKA

Mayıs, 2011

İZMİR

TEZ SINAV SONUÇ FORMU

Bu çalışma … / … / …. günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak

kabul edilmiştir.

Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden …………. ( …………….…. …… ) dir.

Başkan Üye Üye

Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,

………………….. numaralı …………………….. jürimiz tarafından … / … / …. günü saat

…… da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden ……. almıştır.

Başkan Üye Üye

ONAY

III

TEŞEKKÜR

Proje kapsamında bizi yönlendiren ve yardımlarını esirgemeyen değerli hocam

Doç. Dr. Serhan KÜÇÜKA ’ya, İzmir CMS JANT fabrikasında projemiz için her

türlü imkanı sağlayan Turan TULUM’ a ve yardımlarından dolayı arkadaşım Onur

ERGEN’ e sonsuz teşekkür ederim.

Volkan DEMİRCİ

IV

ÖZET

Enerji tüketiminin günden güne artış gösterdiği ülkemizde buna paralel olarak enerji

tasarruf yöntemleride önem kazanmaya başlamıştır. Enerji tasarruf eden teknolojilerin

uygulanmasıyla enerji tüketimde azalma sağlanması kaçınılmazdır.Bu proje kapsamında

santrifüj kompresör motor soğutma havasının kazanda yakma havası olarak kullanılmasıyla

elde edilcek yakıt tüketimindeki azalma miktarı hesaplanıp, yakıt maliyetindeki düşüş

belirlenecektir.

İlk bölümde, enerji kaynaklarından, enerjinin kullanımından bahsedilip enerji

yoğunluğunun saptanmasıyla ilgili temel kavramlar anlatılcaktır ve AB ülkeleriyle Türkiye’

nin enerji yoğunlukları karşılaştırılacaktır.

İkinci bölümde, üzerinde çalıştığımız makinaların özellikleri ve çalışma şekilleri

anlatılacaktır.

Üçüncü bölümde, kompresör motoru soğutma havasının kazanda yakma havası olarak

kullanılmasıyla elde edilecek yakıt tasarrufu miktarı hesaplanacaktır.

Son bölümde bölümde, motor soğutma havasının kazana verilmesi için hava kanalı

tasarımı yapılıp, bu hava kanalının maliyeti hesaplanacaktır.

V

VI

İÇİNDEKİLER

İçindekiler V

Tablo Listesi VIII

Şekil Listesi IX

Bölüm Bir

GİRİŞ

Sayfa

1. Enerjinin Kullanımı ve Enerjiden Tasarruf

1.2. Türkiye’de Enerji Kaynakları ve Kullanımı

1.3. Tep

1.4. Gsmh ( Gayri Safi Milli Hasıla )

1.5. Enerji Yoğunluğu

1.6. Enerji Verimliliği

1.6.1. Enerji Verimliliği ile Elde Edilebilecek Yararlar

1

2

2

2

3

5

6

VII

Bölüm İki

SANTRİFÜJ KOMPRESÖR VE SICAK SU KAZANLARI

2.Kompresör ve Kazan Sistemleri

2.1. Santrifüj Tip Hava Kompresörleri

2.1.1. Elektrik Motoru

2.1.2 Santrifüj Kompresör Çalışma İlkesi

2.2. Kondenzasyonlu (Yoğuşmalı) Doğalgaz Sıcak Su Kazanları

2.2.1. Yoğuşturucu (Ekomomizer)

2.2.2. Brülör

2.2.3. Kazanlarda Yanma

2.2.4. Su Buharı (H2O), Kondenzasyon

Bölüm Üç

MOTOR SĞUTMA HAVASININ KAZANDA KULLANILMASIYLA

ELDE EDİLECEK YAKIT TASARRUFUNUN SAPTANMASI

3. Hesaplamalar

3.1. Motor Soğutma Hava Debisi Hesabı

3.1.1. Pitot-Statik Tüpü ile Akış Hızının Hesaplanması

3.2. Motor Soğutma Havası Giriş ve Çıkış Sıcaklıklarının Ölçülmesi

7

7

9

10

11

12

12

13

14

16

16

16

19

VIII

3.3. Motor Verimin Bulunması

3.4. Kazanın Tükettiği Yıllık Yakıt Miktarının Hesaplanması

3.5. Doğalgazın Yanması İçin Gerekli Hava Miktarının Hesaplanması

3.6. Atık Isının Yakma Havası Olarak Kullanılması Sonucu Yakıt

Tüketimi Miktarının Hesaplanması

Bölüm ��

HAVA KANALI TASARIMI

4.Kavramlar

4.1. Akışkan Direnci

4.1.1. Sürtünme Kayıpları

4.1.2. Dinamik Kayıplar

4.2. Kanal Kısım Kayıpları

4.3. Hesaplamalar

4.3.1. Kanal Basınç Kaybı Hesabı

4.3.1.1. 1-3 Noktaları Arasındaki Basınç Kaybı




4.3.2. Kanal Maliyet Hesabı

4.4. Sonuç

20

22

24

26

28

28

28

31

32

33

33

34

36

38

39

41

42

IX

TABLO LİSTESİ

Tablo 3.1. Dinamik Basınç Değerleri ( mmH20)

Tablo 3.2. Dinamik Basınç Değerleri( Pa)

Tablo 3.3. Soğutma havası hız (m/s) değerleri

Tablo 3.4. Soğutma Havasının Değerleri

Tablo 3.5. Soğutma Havası ve Kazan Yakma Havası Debi Değerleri

Tablo 3.6. Yıllık Yakıt Tasarrufu

18

18

18

20

25

27

X

ŞEKİL LİSTESİ

Şekil 1.1. Türkiye’deki Nihai Enerji Tüketimi Dağılımı

Şekil 1.2. Enerji Yoğunlunun Karşılaştırılması

Şekil 1.3. AB Ülkelerinde ve Türkiye’de Enerji Yoğunluğunun Gelişimi

Şekil 2.1. CENTAC C700 Frame Standart Donanımı

Şekil 2.2. Rotor ve Impeller

Şekil 2.3. Soğutucu

Şekil 2.4 Açık Tip 3 Fazlı Asenkron Motor

Şekil 2.5 Santrifüj Kompresör İç Yapısı

Şekil 2.6. Kazan İç Yapısı

Şekil 2.7. Ekonomizer

Şekil 2.8. Brülör

Şekil 3.1. Pitot-Statik Tüpü

Şekil 4.1. Moody Diyagramı

Şekil 4.2. Hava Kanalı

Şekil 4.3. Hava Kanalı (1-3)

Şekil 4.4. Fana Göre Simetrik, Kenarları Düz Geçiş Parçası


Şekil 4.6. W Parça, Dikdörtgen Kesitli


Şekil 4.8. Yuvarlak Veya Dikdörtgen Redüksiyon


Şekil 4.10. Dikdörtgen Dirsek, Kanatsız Geniş Açılı

4

4

5

8

8

9

9

10

11

12

13

17

31

33

34

35

36

37

38

38

39

40

1

BÖLÜM 1

GİRİŞ

1. Enerjinin Kullanımı ve Enerjiden Tasarruf

Birçok sanayi kuruluşunun en önemli girdilerinin başında enerji gelmektedir. Enerji

maliyeti prosese, kullanılan ham maddeye, imal edilen son ürüne göre değişiklik gösterir ve

toplam işletme maliyetleri içerisinde % 8–50 arasında pay alır. Çoğu işletme bunun doğal bir

harcama kalemi olduğunu kabul ederek bu enerji harcamalarını olduğu gibi kanıksamıştır.

Genellikle enerji basit bir şekilde toplam üretim maliyetleri içerisine katılır ve ayrı bir kalem

olarak dikkate alınmaz. Bir ürünün maliyetini; çoğunlukla üretim seviyesine bağlı olmayan

işletmenin sabit giderleri (binanın ısıtılması, vergiler, bakım onarım, güvenlik ve sigortalar

gibi giderler) ve üretim ile birlikte değişen değişken giderler(hammadde, işçilik, enerji gibi

)belirler.

Sabit giderleri azaltmak her zaman mümkün olmayabilir. Çünkü sabah tesisin kapısı

açıldığında bu giderler kaçınılmaz olarak her zaman vardır. Bunların azaltılması da bir

yönetim stratejisi ve planı ile mümkündür. Ancak beklenen kazançlar açısından çok esnek

değildir. Değişken harcamalar ise her zaman tasarruf edilebilecek odak noktalarını kendi

bünyelerinde bulundururlar ve azaltıldığında tesisin karlılığını arttırarak, karşılığında tesise

para kazandırırlar. Enerji harcamaları sistemli bir şekilde yönetildiğinde tasarruf edilebilecek

değişken masrafların başında gelmektedir.

2

1.2. Türkiye’de Enerji Kaynakları ve Kullanımı

Enerji kaynakları genel olarak birincil enerji kaynakları ve ikincil enerji kaynakları olarak

iki ana başlık altında incelenebilir. Birincil enerji kaynakları da kendi içinde petrol, doğal

gaz, kömür gibi yenilenemeyen enerji kaynakları ve hidrolik enerji, rüzgâr enerjisi ve güneş

enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. İkincil enerji

kaynağı ise elektriktir. Türkiye’de enerji üretiminde, üretim payındaki sırasıyla doğal gaz,

linyit, akaryakıt, hidrolik ve taşkömürü kullanılmaktadır. Türkiye’de enerji üretimi büyük

oranda kamu kuruluşları tarafından gerçekleştirilmektedir. Üretimin talebi karşılamadığı

enerji türleri ithalât yoluyla sağlanmaktadır. Dışarıdan ithal edilen kaynaklar içinde en büyük

payı petrol ve doğal gaz almaktadır.

1.3 Tep

Tep (ton eşdeğer petrol) tüm enerji birimlerinin aynı kategoride değerlendirilebilmesi için

uluslar arası kabul görmüş bir birimdir. Tüm enerji birimleri ( kcal, joule, kWh, vb.) TEP’ e

çevrilerek ifade edilir.

1 tep = 41.855 Mj

1 tep = 10.000.000 kcal

1 tep = 11.626 kWh

1.4 Gsmh ( Gayri Safi Milli Hasıla )

Bir ekonomide belirli bir dönemde üretilen tamamlanmış(nihai) mal ve hizmetlerin piyasa

fiyatları ile ifade edilen değerleri toplamıdır. ‘‘Ekonomide belirli bir dönem” den kasıt bu

tanım için genelde 1 yıldır. “tamamlanmış (nihai) mal ve hizmetler“ ile kastedilen ise bir

3

ülke ekonomisinde üretim aşamasından çıkmış son mallardır. Örneğin bir ceket üretilirken

önce çiftçiden pamuk alınır. Bu pamuk ip haline getirilir, ipten ise kumaş yapılır ve son

olarak bu kumuştan ceket dikilir. İşte dikilen bu ceket iktisadi olarak “nihai mal“dır.

Buradaki diğer mallar olan pamuk, ip ve kumaş ise ara mallardır. Ara mal, bir başka mal ve

hizmetin üretilmesinde kullanılan mal ve hizmetlerdir. GSMH hesabının nihai mallara göre

yapılması gerekir.

1.5 Enerji Yoğunluğu

Gayri Safi Milli Hasıla başına tüketilen birincil enerji miktarını temsil eden ve tüm

dünyada kullanılan bir göstergedir. Türkiye’nin enerji yoğunluğu, OECD(İktisadi İşbirliği ve

Gelişme Teşkilatı) ortalamasının üzerinde olup geçmişten günümüze artış eğilimi

göstermektedir. Halen kişi başına enerji tüketimi, OECD ortalamasının beşte biri

civarındadır. Bu durumun önemli nedenlerinden birisi, enerjinin yeni yatırımlara oranının

yüksek olmasına rağmen, teknoloji seçiminde enerji tasarruf eden teknolojilerin aranması

için çaba harcanmamasıdır. Gelişmiş ülkelerin, verimsizlik ve çevre sorunları nedeniyle terk

ettiği çimento sanayi, demir-çelik sanayi gibi endüstriyel tesisler, Türkiye’ye taşınıp monte

edilmektedir. Böylece enerji yoğunluğu Türkiye’de artmaktadır. Türkiye’nin enerji

yoğunluğu ve coğrafyası gereği, enerjiyi temin etmesi ve Avrupa pazarlarına aktarması

gerekmektedir. Türkiye’nin önemli bir geçiş merkezi olmasından dolayı önemli enerji taşıma

projelerini uygulamak zorundadır. Bu projeler, Türkiye ekonomisine alternatif maliyetler

getirmektedir.

4

Şekil 1.1 Türkiye’deki Nihai Enerji Tüketimi Dağılımı

AB ÜLKELERİ İLE TÜRKİYE’NİN BİRİNCİL ENERJİ YOĞUNLUĞUNUN KARŞILAŞTIRILMASI

4

Şekil 1.2

Enerji Yoğunlunun Karşılaştırılması

5

Şekil 1.3 AB Ülkelerinde ve Türkiye’de Enerji Yoğunluğunun Gelişimi

Enerji yoğunluğu değerinin ülkenin özellikle nihai sektöründeki yani binalardaki, imalat

sanayindeki ve ulaşımdaki enerji verimliliği gelişmelerini yansıtması ve bu değerin gerçek

satın alma gücüne göre karşılaştırılması daha sağlıklı olacaktır. Böylece enerji arz

yapısındaki değişimlerden ve ülkelerin ekonomik göstergelerinden daha az etkilenen bir

enerji‐ekonomi göstergesi elde edilebilir. Nihai tüketim bazında karşılaştırmada 1990

yılından bu yana enerji yoğunluğumuzun değişmediği buna karşılık AB’nin enerji

yoğunluğunda düşme olduğu izlenmektedir. Türkiye’nin önündeki en önemli politika

hedeflerinden birisi, enerji yoğunluğunda düzenli ve yıllar bazında somut göstergeleri olan

bir düşme eğiliminin yakalanması olmadığı sürece bu konuda bir ilerleme

sağlanamayacaktır. Bu şekilde Türkiye’de henüz yeterince tartışılmayan karbon

yoğunluğunun azaltılmasında önemli başarı sağlanacaktır.

1.6. Enerji Verimliliği

Enerji Verimliliği; yaşam standartlarında, hizmet kalitesinde, üretim miktarında düşüşe

yol açmadan enerji tüketiminin minimize edilmesidir yani bir işi daha az enerji kullanarak

6

yapabilmektir. Enerji verimliliğini gösteren en önemli gösterge enerji yoğunluğu/gayri safi

milli hâsıla başına düşen enerji miktarıdır. Bu oran OECD ülkelerinde 0.19 iken ülkemizde

0.38 civarındadır. Diğer bir değişle ülkemiz enerjiyi OECD ülkelerine göre iki kat daha

verimsiz kullanmakta daha doğrusu savurmaktadır. Dünya ortalamasının çok üzerinde enerji

kayıp + kaçağına (%20) sahip olan ülkemizde, enerjinin %72 ‘si ithal kaynaklardan elde

edilirken, kıt enerjimizin ülkemizde neden bu kadar pahalı olduğunun sebepleri ortaya

çıkmaktadır.

1.6.1 Enerji Verimliliği ile Elde Edilebilecek Yararlar

—İthal edilen enerji faturasında azalma sağlar,

—Üretici sanayi kuruluşlarının iç ve dış pazardaki rekabet şansını arttırır ve ürün fiyatlarının

düşmesine katkı sağlar,

—Binalardaki konfor şartlarını da iyileştirerek, ısıtma ve elektrik giderlerinin aile veya

işletme bütçesi içindeki oranında azalma sağlar,

—Daha az yakıtla, kişi ya da kuruluşların cebinden daha az yakıt harcaması sağlar,

—Mevcut verimsiz sistemleri iyileştirmek ve verimlilik sağlamak üzere yapılacak üretim,

AR-GE, montaj vb. çalışmalar için ciddi bir istihdam ve ticaret potansiyeli yaratılmasına

neden olur,

—Özellikle metropollerde, ısınma ve ulaşım amaçlı kullanılan yakıtların yanması sonucu

atılan zararlı gazlardaki azalma sonucu insan sağlığına önemli katkılar sağlar,

—En önemlisi küresel ısınmaya ve dolayısıyla iklim değişikliklerine karşı alınabilecek

önlemler içinde en önemli argümandır.

7

BÖLÜM 2

SANTRİFÜJ KOMPRESÖR VE SICAK SU

KAZANI

2.Kompresör ve Kazan Sistemleri

2.1. Santrifüj Tip Hava Kompresörleri

Santrifüj hava kompresörleri yüksek hızla dönen bir impellerin havaya enerji transfer

ettiği dinamik kompresörlerdir. Rotor havanın momentumunu (ve basıncını) artırır. Bu

momentum sabit difüzörlerde (yayıcılarda) havanın hızını keserek, kullanılabilir basınca

dönüştürülür.

Santrifüj hava kompresörleri, tasarımı gereğince, yağsız kompresörlerdir. Dişlileri

(İmpellerin yüksek hızla dönmesini sağlayan dişlileri) yağlamak için kullanılan yağ ile

havanın bağlantısı şaft contaları ve atmosferik havalandırma tertibatı kullanılarak kesilir.

Bir santrifüj kompresörün ana işlevi, içinden akan gazın basıncını arttırmaktır. İşlem, bir

girişten çıkışa doğru radyal olarak akan gazın hızlandırılmasıyla yapılır. Santrifüj

kompresörlerin kapasiteleri çeşitlidir; çoğu 3500 rpm veya daha yüksek hızlarda, elektrik

motoru, buhar veya gaz türbinlerle çalışır. Çok kademeli çalışmada gaz difüzörü terk eden

gaz, bir sonraki fanın gözüne yönlendiren bir diyaframa girer; diyaframda supaplar bulunur.

Sıkıştırılırken gaza transfer edilen enerji, gazın ısınmasına yol açar; bu nedenle kademeler

arasına soğutma kanalları konulmuştur. Tek bir gövdede altı veya yedi kademeden fazla

kademe bulunmaz. Yeterli basıncın alınamaması halinde iki veya daha fazla gövde seri

olarak bağlanarak kullanılır.

8

Santrifüj kompresör çok az sayıda hareketli parçaya sahip olmasından ileri gelen

avantajıyla, özellikle yüksek hava debisi istenen uygulamalarda bilhassa yağsız hava gereken

yerlerde kullanılmaya uygundur.

Şekil 2.1 CENTAC C700 Frame Standart Donanımı

Şekil 2.2 Rotor ve Impeller

9

Şekil 2.3 Soğutucu

2.1.1. Elektrik Motoru

Motorun içinde yer alan soğutma fanı ortamda bulunan havayı ön kapaklardan motor

içine çeker ve arka kapaklarda yer alan havalandırma deliklerinden dışarıya atar. Motorun

çalıştığı ortamda bulunan hava soğutma amacı ile motor içinden geçtiğinden tozlu

ortamlarda çalışması sakıncalıdır.

4

5

Şekil 2.4

Açık Tip 3 Fazlı Asenkron Motor

Damlamaya karşı muhafazalı açık tip 3 fazlı asenkron motor

Motor tipi : PLS 355LA2 B5

PLS → serisi

355 → çerçeve boyutu

B5 → montaj pozisyonu

380V, 3 Faz, 50Hz - IP23 Koruma, F İzolasyon Sınıfı -Hava soğutmalı

10

Şekil 2.5

Santrifüj Kompresör İç Yapısı

2.1.2 Santrifüj Kompresör Çalışma İlkesi

1- Hava giriş kontrol valfinden geçerek kompresöre girer ve çarkın havaya kinetik enerji

kazandırdığı birinci kademeye doğru akar.

2-Hava yoğuşmayı yok etmek için düşük hızda paslanmaz çelik nem ayırıcıdan geçer.

3-Hava difüzöre ilerler, burada kinetik enerji basınca çevrilir (hız azalır, basınç yükselir)

4-İçinde bulunan soğutucu, sıkıştırma sonucu oluşan ısıyı alarak verimi arttırır.

5-Nem aktarma, hava sonraki aşamaya geçmek için 180o yön değiştirmeye zorlandığında

biter.

2.2. Kondenzasyonlu (Yoğuşmalı) Doğalgaz Sıcak Su Kazanları

1 23

11

Sıcak su kazanlarında yakıtın yakılması sonucu açığa çıkan ısının suya transfer

edilmesiyle su sıcaklığı istenilen değere ulaştırılır. Yoğuşmalı doğalgaz kazanlarında kazan

içinde veya kazana entegre yoğuşturucuda, baca gazlarında bulunan su buharının

yoğuşmasına izin verilmekte ve bu maksatla sistem dönüş suyu yoğuşturucudan geçirilerek,

doğalgaz için baca gazı çiğlenme sıcaklığı olan 55 C ‘ ye kadar baca gazı sıcaklıkları

düşürülmekte, soğuyan baca gazının ısısına ek olarak, yoğuşan suyun gizli ısısı da kazan

içindeki akışkana transfer edilmekte, yoğuşan su miktarına bağlı olarak normal kazanlara

oranla %10–15 verim artışı sağlanabilmektedir. Alt ısıl değer esas alındığında yoğuşmalı

kazan verimleri günümüzde %100 ’ den büyük ifadelerle anılmaktadır. Ancak üst ısıl değere

göre söz konusu verim her zaman % 100 ’ den küçüktür.

Şekil 2.6

Kazan İç Yapısı

2.2.1. Yoğuşturucu (Ekomomizer)

Ekonomizerler ısı, buhar veya güç üretim tesislerinde kazanlardan çıkarak bacaya verilen

duman gazları üzerinde bulunan ısının bir bölümünü, bünyelerinde sirküle edilen suya

aktarmak suretiyle, geri kazanmak amacıyla kullanılırlar. Geri kazanılan bu ısı kazan

12

besleme suyuna verilebileceği gibi tesiste ısıtma, banyo, yıkama vb. amaçlar için

kullanılacak suya da verilebilir.

Şekil 2.7

Ekonomizer

2.2.2. Brülör

Hava ve yakıtı kontrollü ve verimli olarak yanmayı sağlayacak şekilde karışım oluşturan

cihazdır. Bu cihazların genel prensibi; esas olan yanma verimini yükselterek ideal yanma

şartlarına ulaşarak çevre kirliliğinin önlenmesi ve enerji tasarrufu sağlanmasıdır

13

Şekil 2.8

Brülör

2.2.3. Kazanlarda Yanma

Yakıt tamamen yandığın, içerisindeki karbon (C) karbondioksite (CO2), hidrojen (H2) su

buharına (H2O), kükürt (S) kükürt-dioksite (SO2) dönüşmektedir.

Tam Yanma :

Eksik yanma:

14

Buradan da görüleceği gibi, yetersiz oksijen sonucu karbonun karbondioksite

dönüşmeden, karbonmonoksit halinde kalmasıyla kaybedilen enerji miktarı %70

mertebesinde olmaktadır. Bu kaygıyla, mükemmel yanmanın sağlanabilmesi için, genel bir

kural olarak yakıta verilen hava belirli oranda arttırılmaktadır. Buna hava fazlalık katsayısı

denilmektedir. Yakıt cinsine bağlı olarak değişen bu katsayının gereğinden az olması halinde

karbonmonoksit oluşmakta, üretilen enerji azalmakta, isilik başlamakta, yanma verimi

düşmekte, söz konusu hava fazlalık katsayısının gereğinden fazla olması halinde ise

karbonmonoksit azalırken, yanmaya iştirak etmeyen hava ocakta ısıtılarak bacadan

atılmakta, yanma bozulmakta, yanma verimi düşmektedir. Bu nedenle, işletme sırasında

yanmanın optimizasyonu için baca gazı analizörleri yardımıyla baca gazı bileşenleri kolayca

elde edilip değerlendirilebilmekte, brülör ve kazanlara anında müdahale edilebilmektedir.

2.2.4. Su Buharı (H2O), Kondenzasyon

Hidrojen kökenli yakıtlarda yanma sonucu oluşan baca gazı bileşenlerinde birininde su

buharı (H2O) olduğu ifade edilmişti.

Burada 4 gr hidrojen (H2), 32 gr oksijenle (O2) birleşerek 36 gr su (H2O) oluşturmaktadır.

Bir başka ifadeyle 1 gr (H2), 9 gr su (H2O) oluşumuna neden olmakta, ortaya çıkan su ise

baca gazları içerisinde su buharı olarak kazanı terk etmektedir. Söz konusu suyun

buharlaşabilmesi için üretilen ısıdan bir bölümü kullanılmakta ve kullanılan ısı miktarı ise

yakıtın alt ve üst ısıl değeri arasında farkı meydana getirmektedir.

Bu ifade formüle edilirse , çok yaklaşık olarak :

15

Hu = Ho – 2,508*W

Hu = Yakıt alt ısıl değeri(kJ/kg)

Ho = Yakıt üst ısıl değeri (kJ/kg)

W = Yanma sonucu oluşan su miktarı (gr)

BÖLÜM 3

16

MOTOR SOĞUTMA HAVASININ KAZANDA

KULLANILMASIYLA ELDE EDİLECEK YAKIT

TASARRUFUNUN SAPTANMASI

3. Hesaplamalar

3.1. Motor Soğutma Hava Debisi Hesabı

3.1.1. Pitot-Statik Tüpü ile Akış Hızının Hesaplanması

Pitot statik tüpü, basınç farkını ölçerek yerel hızı ölçer ve bunu Bernoulli denklemini

kullanarak yapar. Bu cihaz akışla aynı hizaya yerleştirilen diferansiyel basınç

dönüştürücüsüne bağlı ince bir çift tüpten oluşur. İç tüpün burnu, akışa tam açıktır ve

dolayısıyla o konumdaki toplam basıncı ölçer (P1). Dış tüpün burnu kapalıdır ancak dış

çeperinin yan yüzünde delikler vardır ve dolayısıyla statik basıncı ölçer (P2).

17

Şekil 3.1

Toplam basıç = P1 , Statik basınç = P2

Dinamik basınç = Toplam basınç - Statik basınç = P1 - P2

Yeterince yüksek hızlı sıkıştırılamaz akış için Bernoulli denklemi uygulanabilir ve aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

P1

P2

Pitot‐Statik Tüpü

18

� Pitot-statik tüpü ile20 noktadan ölçülen dinamik basınç değerleri (mmH20) :

Tablo 3.1

Dinamik Basınç Değerleri ( mmH20)

1,000 mmH20 = 9,806 Pa olduğundan;

8.8254 Pa 16.6702 19.6120 22.5538 23.5344 7.8448 14.7090 22.5538 24.5150 29.4180 7.8448 12.7478 23.5344 26.4762 31.3792

10.7866 15.6896 17.6508 15.6896 17.6508

Tablo 3.2

Dinamik Basınç Değerleri( Pa)

Bulduğumuz değerleri pitot formülünde yerine koyarsak ;

3.976 m/s 5.465 5.927 6.357 6.493 3.749 5.133 6.357 6.627 7.260 3.749 4.779 6.493 6.887 7.498 4.396 5.302 5.623 5.302 5.623

Tablo 3.3

Soğutma havası hız (m/s) değerleri

0.9 1.7 2 2.3 2.4 0.8 1.5 2.3 2.5 3 0.8 1.3 2.4 2.7 3.2 1.1 1.6 1.8 1.6 1.8

19

Bir kesit alanından birim zamanda akan kütle miktarına kütlesel debi denir ve sembolü

ile gösterilir.

ρ = akışkanın yoğunluğu, kg/m3

V = akışkanın kesit yüzeyine dik yöndeki hız bileşeni, m/s

A= kesit alanı, m2

3.2. Motor Soğutma Havası Giriş ve Çıkış Sıcaklıklarının Ölçülmesi

Soğutma havası giriş ve çıkış sıcaklıkları çubuk termometreyle ölçüldü.

20

T giriş = 18.1 C , T çıkış = 43 C

Sıcaklık ( oC ) Entalpi(kJ/kg)

Ortalama Hız(m/s)

Kütlesel Debi(kg/s)

Giriş 18.1 291.26 5.6495 3.12

Çıkış 43 316.28

Tablo 3.4

Soğutma Havasının Değerleri

3.3. Motor Verimin Bulunması

Elektrik Motoru

21

22

3.4. Kazanın Tükettiği Yıllık Yakıt Miktarının Hesaplanması

Kazan çıkış gücü : 3,050 kW

Gerekli güç : 1,830 kW (%60 kısmi yükte)

Kazan verimi (ηk) : % 105

Çalışma süresi : Günde 12 saat , yılda 270 gün

Doğalgaz için üst ve alt ısıl değerinin hesaplanması:

Doğalgazın yanma denklemi;

23

Burada 16 metan (CH4), 64 gr oksijenle (O2) birleşerek 36 gr su (H2O), yani 1 gr metan

2.25 gr su oluşturmaktadır. Metanın alt ısıl değerini hesaplayacak olursak;

Hu = 55,385-2508*2.25 = 49,742 kj/kg- CH4 olmaktadır.

Metanın yoğunluğu ρ =0.715 kg/Nm3 kabul edilirse ( 16gr/22.4 lt ),Nm3 bazında söz

konusu alt ve üst ısıl değerler ile yanma sonucu oluşan su miktarı;

Ho = 55,385 *0.715 = 39622.48 kj/ Nm3 = 11 kWh/ Nm3

Hu = 49,472*0.715 = 35571.8 kj/ Nm3 = 9.88 kWh/ Nm3

1 Nm3 doğalgaz 0.494843 TL olduğuna göre;

24

3.5. Doğalgazın Yanması İçin Gerekli Hava Miktarının Hesaplanması

Tam yanma için :

1 mol CH4 9.54 mol (O2 +N2)

%20 fazla hava olsun ;

1 mol CH4 11.4 mol (O2 +N2)

1 Nm3 CH4 11.4 Nm3 (O2 +N2)

Kazan tam yükte çalışırsa;

25

Motor soğutma havası kütlesel debisi 3.12 kg/s olarak hesaplanmıştı.Bunu hacimsel debi

olarak hesap edelim;

Buradan motor soğutmasından elde edilen atık ısı miktarımızın doğal gazın yakılması için

gerekli hava miktarından fazla olduğu sonucuna vardık.

Kütlesel Debi

(kg/s)

Hacimsel Debi (Nm3/s)

26

Motor Soğutma Hava 3.12 2.52

Kazan Yakma Havası 0.684 0.558

Tablo 3.5

Soğutma Havası ve Kazan Yakma Havası Debi Değerleri

3.6. Atık Isının Yakma Havası Olarak Kullanılması Sonucu Yakıt Tüketimi

Miktarının Hesaplanması

27

Tablo 3.6

Yıllık Yakıt Tasarrufu

Yıllık Yakıt Tüketim

Miktarı (Nm3/yıl)

Yıllık Yakıt Maliyeti

(TL/yıl)

Ortam Havası Kullanıldığı

Zaman

(T=18.1 oC)

571,544.20 282,541.73

Motor Soğutma Havası

Kullanıldığı Zaman

(T=43 oC)

566,119.02 279,899.6

Tasarruf 5,345.18 2,642.37

28

BÖLÜM 4

HAVA KANALI TASARIMI

4.Kavramlar

Bu kısımda motorun soğutulmasında kullanılan havayı, kanal vasıtasıyla kazana

yönlendirerek yakma havası olarak kullanacağız. Öncelikle kanal tasarımında kullanılacak

kavramlar açıklanıp daha sonrada hesap işlemi yapılacaktır.

4.1. Akışkan Direnci

Kanala sistem kayıpları mekanik enerjinin ısı enerjisine tersinmez bir dönüşümüdür. Bir

kanal içerisindeki akışka iki tip kayıp vardır.Bunlar sürtünme kayıpları ve dinamik

kayıplardır.

4.1.1. Sürtünme Kayıpları

Sürtünme kayıpları akışkan viskozitesinden kaynaklanıp laminer akışta moleküllerin

türbülanslı akışta ise değişik hızda hareket eden akışkan parçacıklarının aralarındaki

momentum değişimi sonucu ortaya çıkar. Sürtünme kayıpları bütün kanal uzunluğu boyunca

oluşur.

Boru hatlarındaki akışlarda sürtünme kayıpları

şeklinde hesaplanır.

29

∆Pf = Basınç cinsinden toplam sürtünme kaybı, Pa

f = Sürtünme katsayısı, boyutsuz

L = Kanal uzunluğu, m

Dh = Hidrolik çap, m

V= Akışkan hızı, m/s

ρ= Akışkan yoğunluğu, kg/m3

Sürtünme katsayısı akış karakterine göre değişmektedir. Akış karakteri temel olarak iki

türlüdür. Bunlar laminer ve türbülanslı akışlardır. Herhangi bir akışın karakteri boyutsuz

Reynold sayısına bağlıdır.Reynold sayısı

denklemi ile bulunur.

Dh = Hidrolik çap, m

V = Akışkan hızı, m/s

ρ= Akışkan yoğunluğu, kg/m3

µ =Viskozite, Pa.s

30

ν =Kinematik viskozite, m2/s

Akışkan yoğunluğu, viskozitesi ve kinematik viskozitesi akışkana ait termofiziksel

özellikler olup akışkana ait tablolardan bulunabilir. Hidrolik çap ise kanal kesitinin şekline

bağlı olup şöyle ifade edilir:

�

A = Kesit alanı, mm2

P = Islak çevre, mm

Hidrolik çap tanımı genellikle dairesel olmayan kanallarda kullanılır ve dairesel kanal

için hidrolik çap gerçek çapa eşittir.

Reynold sayısı ile akış karakteri genel olarak şu şekilde ifade edilmektedir:

Re < 2300 Akış Laminer

2300 < Re <4000 Laminer – Türbülanslı Geçiş Bölgesi

Re > 4000 Türbülanslı akış

Laminer akış bölgesinde, sürtünme katsayısı sadece Reynold sayısına bağlıdır.

Türbülanslı akış bölgesinde ise, sürtünme katsayısı Reynold sayısına ek olarak kanal yüzeyi

pürüzlülüğüne, kanal içindeki çıkıntılara da bağlıdır. Sürtünme katsayısı Reynold sayısı ve

ε/D ’nin fonksiyonu olarak moody diyagramından okunur. Bu diyagram mühendislikte en

yaygın olarak kullanılan diyagramlardan birisi olup dairesel borular için geliştirilmiş

olmasına rağmen, çap yerine hidrolik çapın yazılmasıyla dairesel olmayan borular için de

kullanılabilir.

31

ε = Malzemenin mutlak pürüzlülük katsayısı, mm

Şekil 4.1

Moody Diyagramı

4.1.2. Dinamik Kayıplar

Hava akış yolunu ve kesit alanını değiştiren fiting elemanlarının neden olduğu akıştaki

bozukluklar yüzünden ortaya çıkar. Bu elemanlar giriş, çıkış ağızları, kesit değişimleri ve

birleşme parçaları olabilir. Bu kayıpların ifade edilebilmesi için yerel kayıp katsayıları

tanımlanmıştır.

32

4.2. Kanal Kısım Kayıpları

Kanalların basınç kaybı hesabında inceleme şekli itibariyle kanal sistemi kısımlara ayrılır

ve bu kısımlar kanallar, fittingler ve cihazlardan oluşabilir. Bunedenle de kısımlar için

toplam basınç kaybını (sürtünme ve dinamik kayıplar) ifade etmek gerekir.Bunun için

denklemi kullanılır. ∑C kanal sistemi kısmındaki kayıp katsayıların toplamıdır ve her bir

fiting elemanın kayıp katsayısı o bölümün dinamik basıncına göre yazılmalıdır.

Kanal tasarımı için kullanılan yöntemler:

Eşit Sürtünme Direnci Yöntemi

Statik Geri Kazanım Yöntemi

Uzatılmış Plenum Yöntemi

T-yöntemi

Sabit Hız Yöntemi

Toplam basınç Yöntemi

Kanal tasarımını toplam basınç yöntemine göre yapıp kritik devrede (en uzun devre)

meydana gelen basınç düşümlerini hesaplanacaktır. .Kanal malzemesi olarak 1 mm

kalınlığında alüminyum kullanılacaktır.

33

4.3. Hesaplamalar

4.3.1. Kanal Basınç Kaybı Hesabı

Şekil 4.2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2.52 m3/s

1.59 m3/s

0.93 m3/s

34

Hava Kanalı


Şekil 4.3

Hava Kanalı (1-3)

35

1‐2

Şekil 4.4

Fana Göre Simetrik, Kenarları Düz Geçiş Parçası

2‐3

Moody diagramından f=0.014 bulunur.

36

4.3.1.2. 3-4 Nokatları Arasındaki Basınç Kaybı

Şekil 4.5

Hava Kanalı (3-4)

37

Şekil 4.6

W Parça, Dikdörtgen Kesitli

38


Şekil 4.7

Hava Kanalı (4-5)

Şekil 4.8

Yuvarlak Veya Dikdörtgen Redüksiyon

39


Şekil 4.9

Hava Kanalı (5-12)

40

5-6 / 10-11

Şekil 4.10

Dikdörtgen Dirsek, Kanatsız Geniş Açılı

6-10 / 11-12

41

Moody diyagramından f=0.0171 bulunur.

Toplam basınç kaybı = 7.949+0.838+1.676+20.62= 31.083 Pa

4.3.2. Kanal Maliyet Hesabı

Kanal malzemesi : Alüminyum

Yalıtım malzemesi : 13 mm elastomerik kauçuk köpüğü

Kanal yüzey alanı =38.56 m2

Kanalın kütlesi = 52 kg

Alüminyum saç levha = 5.32 TL/kg

Kanal işçilik maliyeti =12 TL /m2

Elastomerik kauçuk köpüğü =13 TL/m2

Kauçuk işçilik =6.9 TL/m2

42

4.4. Sonuç

Hava kanalı yardımıyla santrifüj kompresör motorunun soğutulmasında kullanılan

havayı kazanda kullanarak yakıt tüketimi miktarında 5,345.18 Nm3/yıl azalma

sonucu 2,642.37 TL /yıl tasarruf elde ettik. Kanal maliyetini de 7 aylık bir sürede

karşılamış olduk.

43

KAYNAKLAR

1) Yunus A.ÇENGEL, Akışkanlar Mekaniği Temelleri ve Uygulamaları

2) TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Doğal Gazda Enerji Performansı Seminer Kitabı

3) TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Sanayide Enerji Ekonomisi Kurs Notları

4) Klima-Havalandırma Tesisatı, Isısan Çalışmaları

http://www.bilgikaynak.com/

http://www.alarko-carrier.com.tr

http://www.eie.gov.tr/

http://www.igdas.com.tr/

http://www.isisan.com/

http://company.ingersollrand.com/

http://www.weishaupt-corp.com/

Documents

CMS JANT KOMPRESÖR MOTORU SOĞUTMA HAVASI ATIK … · Kanal Basınç Kaybı Hesabı 4.3.1.1. 1-3 Noktaları Arasındaki Basınç Kaybı ... Soğutma Havası ve Kazan Yakma Havası