SANAYİDE ENERJİ VERİMLİLİĞİ

Teknik anlamda enerji, üç temel amaç için kullanılır. Bunlar; mekanik veya elektrik enerjisinin elde edilmesi amac›yla güç tesislerinde, ısınma amacıyla ısı tesislerinde ve her tür üretim maksadıyla üretim tesislerinde kullanımdır.

Sanayide enerjinin verimli kullanımı; üretim maliyetlerini doğrudan etkilemesiyle beraber günümüzde önemi hızla yayılmaya başlayan çevresel kirlilik, küresel ısınma ve neden olduğu etkiler yönüyle de önemlidir. Üretim proseslerinde enerjinin verimli kullanımı temelde termodinamik süreç olarak değerlendirilen sistemler için temel kavramlara bağlı olarak değerlendirilir.

Sistem, kütle ve enerji transferlerinin incelendiği sınırları belirlenmiş bölge olarak tanımlanabilir. Mühendislik uygulamalarında her proses için genelde sistem kavramı kullanılır. 

Sistemlerde kütle ve enerji hareketine bağlı olarak açık, kapalı ve izoleli sistemler olmak üzere üç temel yapı göze çarpar. Sanayi kuruluşların üretim süreçlerinde çoğunlukla açık sistemler kullanılmaktadır. Çimento üretiminde döner fırın, çelik üretiminde kupol fırınlar, gıda endüstrisinde ısı değiştiricileri bunlara örnek verilebilir. Pek çok üretim süreçlerinde sistemler ısıya bağlı çalışırlar.  Açık sistemler, madde ve enerji geçişlerinin olduğu sistemlerdir. Ancak sistem sınırlarından geçen kütle akışları korunur bir özelliktir. Kapalı sistemlerde, sistemle çevre arasında sadece enerji geçişi vardır. Kütle geçişi yoktur. Kapalı sistemde kütle sabittir. İzoleli sistemde, sistem ile çevre arasında kütle ve enerji geçişi yoktur. Sistem ile çevre arasında kütle ve enerji geçişini engelleyen izole tabakası vardır.

Sıcaklık bir sistemde ısı de¤ifliminin ölçütüdür. Ancak sıcaklık ve ısı birbirine doğrudan bağlı fakat farklı kavramlardır. Sıcaklık hiçbir zaman sistemdeki enerji yükünü tanımlamada kendi başına yeterli bir parametre değildir. Sıcaklık (T), bir maddenin ısıl durumunu ve onun bir madde ile temas ettiğinde enerji değişlim kabiliyetini gösterir. Sıcaklığı, enerji hareketini tanımlamada bir ölçüt olarak da değerlendirmek mümkündür.

Basınç (P), bir akışkan tarafından birim alana dik yönde uygulanan kuvvettir. Mühendislik hesaplamalarında geçerli olan basınç mutlak basınçtır. Mutlak basınç tüm sistemler için etkin (gösterge) basıncın standart atmosferik basınçla bütünleşmiş halidir. 

En çok kullanılan basınç birimleri Pascal (Pa), Atmosfer basıncı (atm) ve DIN normunda kullanılan bar’dır.

Yoğunluk (ρ) bir maddenin işgal ettiği (kapladığı) birim hacmin kütlesidir. Özgül hacim (υ) hacmin kapsadığı birim kütle miktarıdır. Yoğunluk ve özgül hacim birbirlerine ters orantılıdır.

Özgül ısı bir maddenin sıcaklığını 1 °C (veya 1K) yükseltmek için gerekli enerji miktarıdır. Bir maddenin özgül ısısı sahip olduğu sıcaklıktaki ısı yükünü doğrudan etkiler.

Enerji, genellikle iş ya da işyapabilme yeteeği olarak tanımlanır. Bu, enerjinin ihtiva ettiği anlam açısından daha az belirgindir. Çünkü sistemlerde enerji kavramı iş ve ısıya bağlı moleküler hareketle şekillenir. Bu nedenlerle yukarıdaki işe bağlı tanım yerine enerji; hareket ya da hareket üretme yeteneği olarak tanımlanmalıdır.

Bir sistemde enerji hiçbir zaman kaybolmaz. Ancak enerji bir başka enerjiye dönüşür. Örnek olarak bir araba motoru entropi, verilebilir. Bir benzinli araçta yakıt hava karışımı motor pistonlarında yanma ve patlama sonucu ısı enerjisine dönüflür. Isı enerjisi motor pistonlarını hareket ettirir ve ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşür. Krank mili vasıtasıyla tekerleklere taşınan bu enerji arac›n hareket etmesini sağlar.

Bir sistemde ısı veya işe bağlı enerji değişimi;

Q − W = ∆E_sistem (kJ)

olarak ifade edilir.

Enerji verimliliği en basit anlatımıyla; enerji kaynaklarının üretimden tüketime kadar tüm safhalarda en yüksek etkinlikte değerlendirilmesini ifade eden bir kavramdır. Enerji verimliliği, harcanan her birim enerjinin, daha çok hizmet ve ürüne dönüşmesi olarak tan›mlanabilir. Bu tanımlamalara bağlı kalarak termodinamik süreç olarak değerlendirilen sanayi üretim sistemleri için enerji verimliliği; bir sistemden çıkan enerjilerin giren enerjilere oranı olarak değerlendirilir.

Enerjinin bir başka enerjiye tamamen dönüşen faydalı kısmına ekserji denir. Ekserji kelimesi Yunanca ex (dış ) ve ergon (kuvvet ve iş) kelimelerinden türetilmiştir.

Bir sistemin ölü hal olması çevresiyle termodinamik dengede bulunması anlamına gelir. Ölü halde iken sistem çevre sıcaklığında ve basıncındadır. Yani çevreyle ısıl ve mekanik dengededir. Ayrıca sistemin çevresine göre kinetik ve potansiyel enerjileri sıfırdır. Sistem ölü halde iken çevre ile kimyasal reaksiyona girmez.

Ekserji analizleri mevcut sistemlerdeki verimsizlikleri azaltarak, daha verimli enerji sistemlerini tasarlamanın nasıl mümkün olup olamayacağını gösteren etkin bir teknik, sürdürülebilir gelişmenin elde edilmesinde anahtar bir bileşen ve enerji politikaların oluşturulmas›nda kullanılabilecek önemli bir araçtır.

Sanayi proseslerinde enerji kayıplar; proseslerde ısıl kayıpları, proses erde tüketilen yakıt gibi enerji türlerinin bilinçsiz tüketimi ve proseslerde sızıntı kayıpları olarak tanımlanır. Bilimsel araştırmalarda kayıpların analizde ifadesi sankey diyagramlarıyla yapılabilir. 

Entropi en temel şekliyle, enerji analizleri referans alındığında sistemlerin neden olduğu kayıplar için nicel bir tanımlamayı ifade etmektedir.

Yanma, yakıt olarak tanımlanan maddelerle oksijenin bir arada oluşturduğu kimyasal bir reaksiyon sürecinin oluşturduğu işlemdir. Bu işlem sürecinde a盤a çıkan kimyasal enerji ısı, ışık, mekanik enerji gibi farklı formlarla yayılma özelliği gösterir.

Yanma işlevinin gerçekleştirildiği ünitelerde iyi bir yanma için;

• Yakıt için gerekli hava miktarı yanma hacmine gönderilmeli,
• Yakıtın yeterli miktarda hava ile teması sağlanmalı,
• Yakıtın hava ile homojen bir karışımı sağlanmalı,
• Yanma odası içindeki sıcaklık yakıt içeri girerken onu tutuşturacak kadar yüksek olmalı,
• Yanma odası, yanmanın tamamlanabilmesi için yeterli zaman sağlayacak kadar geniş olmalıdır.

Yanma sonucu ortaya çıkan Baca Gazı Bileşenleri:

• Oksijen,
• Karbonmonoksit
• Karbondioksit
• Kükürtdioksit ve
• Azotoksiklerdir.

Tam otomatik mikro modülasyonlu yakma yönetimi ve oksijen trim kontrol sistemleri geliştirilmiştir. Böylece (O2), (CO2), (CO) ve baca gazı sıcaklığı gibi baca gazı parametreleri sürekli ve otomatik kontrollerle takip edilir. Bu tür otomasyonlar;

• Yanma veriminin sürekli izlenmesini,
• Yakıt karakterinde ve atmosferik şartlarda olabilecek değişikliklerin önceden kontrol altına alınmasını,
• Sistemlerde yakıt/hava ayarının otomatik yapılmasını,
• Gerektiğinde frekans konvektörlü brülör fanları ile eşgüdümlü çalışarak fan enerji tüketiminden tasarruf sağlanmasını,
• Hassas ve oransal kontrol ile tam yanma sonucu sistem verimi yükseltilmesini ve yakıt tasarrufunun sağlanmasını,
• Sistem otomatik kalibrasyon ve hata tespitine imkan vererek, bina otomasyon sistemlerine de entegre edilebilme imkanını sağlar.

Türkiye’nin 2008 yılında sanayi sektörünün nihai enerji tüketimindeki payı yaklaşık %37, sadece elektrik tüketiminde payı ise %55’tir. Sanayi uygulamalarında gerekli olan enerji ihtiyacı çoğunlukla fosil yakıtlara ve elektriğe dayanmaktadır.

Sanayide hemen hemen tüm ürünlerde üretimlerinin herhangi bir bölümünde proses ısıtmasına ihtiyaç duyulur. Bu nedenle ürün özelliklerine bağl› olarak pek çok fırın kullanılmaktadır. Fırınlar; başta çelik ve taş sektörü olmak üzere pek çok üretim süreçlerinde ürün üzerinde yüksek sıcaklıklarda ısıtma, ergitme, kimyasal reaksiyon gibi işlevleri yerine getiren yüksek enerji tüketimine sahip proseslerde kullanılmaktadır. Sanayide kullanılan fırınlar yakıt türüne, ısı uygulama yöntemine ve malzemenin fırına veriliş yöntemine göre kategorize edilirler.

Bir fırın için yapılacak değerlendirmelerde aşağıdaki temel kriterler dikkate alınır:

• Üretilecek ürünün tipi, boyutu, şekli veya üretim miktarı,
• Fırında istenen sıcaklıklar ve aralıkları,
• Oluşacak yanma veya ergitme için istenen hacim,
• Fırında ürün akış hızı, miktarı veya ergitme oranı hızı,
• Kesikli veya sürekli işletim,
• Fırın atmosferi için ve atık gazlar için istenen şartlar.

Sanayi uygulamalarında hammadde hazırlama, ürüne katkı ilave etme gibi çoğunlukla öğütme ve karıştırma işlevlerde kullanılan değirmenler; başta madencilik, demir çelik, çimento, boya, seramik, alüminyum gibi pek çok sektörde üretim süreçlerinde yoğun olarak kullanılmaktadır.

Değirmenlerde enerji tasarruf imkanları kullanım amaçlarına göre değişse de yoğun sektörler açısından genellikle aşağıdaki temel kriterlerle değerlendirilir.

• Atık ısı geri kazanımı
• Yalıtım
• Kapasite kontrolü
• Kütle giriş ve çıkışlarında kaçak noktaların azaltılması
• Boş yükte çalıştırılmaması
• Döngü kayıplarının azaltılması
• Kuru tip değirmenlerde nem kontrolü.

Baınçlı hava kullanımı endüstriyel kullanımda imalattan, çevresel etkilere olmak üzere pek çok avantaja sahiptir. Bunlar;

• Hava atmosferde bol miktarda bulunan bir kaynaktır,
• Basınçlandırma ile uzak mesafelere taşınması mümkündür,
• Ateş alma veya patlama tehlikesi olmadığı için sıcak ortamlarda emniyetle kullanılabilir,
• Çevreye zararlı olmayan bir maddedir,
• Devre ve tesisat elemanları basit ve ucuzdur,
• Akış hızı ve etki kuvvetleri istenildiği değerlerde set edilebilir,
• Aşırı yüklerde emniyetli çalışma imkanına sahiptir.

Elektrik motorları en genel tanımlamayla elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren aygıtlara denir. Elektrik motorları başta pompalar, fanlar, kompresörler, değirmenler, presler gibi pek çok proseste bir tahrik sistemi olarak çalışırlar. Elektrik motorları temelde biri sabit (Stator) ve diğeri kendi çevresinde dönen (Rotor ya da Endüvi) iki ana parçadan oluşur. Bu parçalara ek olarak elektrik akımını ileten parçalar (örneğin: sargılar), manyetik akıyı ileten parçalar ve konstrüksiyon parçaları (örneğin: vidalar, yataklar) da elektrik motorlarının diğer kısımlarıdır.