Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi Isı Merkezinin Bacagazı Atık

Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi
Akademik Enerji Birimi; Enerji ve Tabii
Kaynaklar
Bakanlığı
tarafından
sağlanan
‘Sanayi
Etüt-Proje
Sertifikası’na sahip iki adet öğretim
üyesi ve 3 adet öğretim elemanından
oluşmaktadır.
Sertifika eğitimlerinin alınmasını da
kapsayan ve Mevlana Kalkınma Ajansı
(MEVKA) tarafından desteklenen proje
kapsamında; Karamanoğlu Mehmetbey
Üniversitesi
Enerji
Sistemleri
Mühendisliği Bölümü bünyesinde Enerji
Verimliliği Ölçüm ve Enerji Verimliliği ArGe laboratuarları kurulmuştur.
Akademik Enerji Birimi olarak öncelikli amacımız,
üniversitemiz bünyesindeki enerji kullanımının en verimli
hale getirilebilmesidir.
Bu amaç doğrultusunda, üniversitemiz Bilimsel Araştırma
Projeleri (BAP) Koordinatörlüğü tarafından desteklenen
proje ile enerjinin kullanım yerleri, tasarruf miktarları ve geri
kazanım önerileri belirlenmektedir.
Halihazırda devam etmekte olan proje kapsamında,
üniversitemizde enerji tüketiminin büyük bir kısmına sahip
ısı merkezindeki kazanların baca gazından atılan atık
enerjinin geri dönüşüm potansiyeli de incelenmiştir. İlgili
ölçümler ve analizler periyodik olarak gerçekleştirilmektedir.
Kazan ve fırın gibi sistemlerde birim başına enerji tüketim miktarı diğer
proseslere nazaran çok daha yüksektir. Bunun temel gerekçesinin;
enerji tüketiminin % 50'den fazlasının etkin bir şekilde geri
kazanılamaması olduğu bilinmektedir.
Kazanlardan ısı çoğunlukla sıcak egzoz gazı, radyasyon kayıpları vb.
gibi yollarla kaybolmaktadır. Kazan sistemlerinin çalışma koşullarını
optimize etmek için, enerji kayıplarının nerede oluşabileceğini belirlemek
gerekir.
Yakılan yakıtın tüm enerjisi kazandaki suya veya buhara
aktarılamadığından egzoz gazları vasıtasıyla önemli miktarda enerji
kaybedilmektedir. Kazan sistemini terk eden egzoz gazı sıcaklığı
genellikle 150 - 250 °C arasında değiştiği için ısı enerjisinin yaklaşık %
10-30'u bu yolla kaybedilebilmektedir. Bu durum, kazan sistemlerinin
kayıplarının en aza indirgenmesi ile ortaya çıkabilecek tasarruf
potansiyeli ne denli yüksek olduğunu göstermektedir.
Bu çalışmada, Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesinin
merkezi ısıtma tesisinde bulunan bir kazan için atık ısı geri
kazanım potansiyeli enerji verimliliği ölçüm cihazları
yardımıyla belirlenmiş ve nicel olarak analiz edilmiştir.
Bu amaçla, öncelikle merkezi ısıtma tesisinde bulunan
sıcak su kazanının enerji kaybı alanları; KMÜ Enerji
Sistemleri Mühendisliği Enerji Verimliliği Ölçüm Laboratuarı
bünyesindeki Testo 350 baca gazı analiz cihazı, Testo
875X2i termal kamera ve Testo 435 çok fonksiyonlu ölçüm
cihazı yardımıyla tespit edilmiştir.
Daha sonra, baca gazı sıcaklığını düşürmek ve baca gazı
atık ısısını geri kazanımı için reküperatör ilavesi önerilerek,
bu birimin sisteme eklenmesi durumunda elde edilebilecek
kazanç miktarı yapılan ekonomik analiz ile ortaya
konmuştur.
KMÜ merkezi ısıtma tesisindeki bir sıcak su kazanının
gerçek görüntüsü, şematik diyagramı ve olası enerji
kayıpları şekilde gösterildiği gibidir.
Paslanmaz çelikten imal edilen sıcak su kazanı 5.5 m
uzunluğunda ve 2.3 m çapındadır.
Sıcak su kazanının bulunduğu oda sıcaklığı (T0) ve sıcak
su kazanı yüzey sıcaklığı (TS) sırasıyla çok fonksiyonlu
ölçüm cihazı (Testo 435) ve termal kamera (Testo 875
X2i) ile ölçülerek belirlenmiştir. Kazan gövdesi iyi bir
yalıtıma sahip olduğundan yüzey sıcaklık ölçümleri fırının
yalıtımsız kısımları olan ön ve arka bölgelerinden
alınmıştır. Egzoz baca gazı bileşenleri (sıcaklık, CO, O2,
CO2 vb.) ise baca gazı analizörü (Testo 350) ile
belirlenmiştir.
600
340
500
320
400
300
300
280
260
200
240
100
220
0
200
Ekim Kasım Aralık
Ocak
Şubat
Egzoz baca gazı sıcaklığı (°C)
Doğalgaz tüketimi (m3/saat)
Merkezi ısıtma tesisinde yakıt olarak doğalgaz kullanılmaktadır. Merkezi ısıtma tesisinin
2015-2016 yılları arasındaki altı ay boyunca doğal gaz tüketim verileri ve egzoz gazının
ölçülen sıcaklıkları aşağıdaki grafikte verilmiştir. Grafikte görüldüğü gibi, egzoz gazı
sıcaklıkları doğal gaz tüketimi ile paralel olarak değişmektedir ve özellikle doğalgaz
tüketiminin maksimum olduğu aylarda baca gazı sıcaklıkları 300 oC’nin üzerine çıkmaktadır.
Mart
Aylar
Kazanın toplam yıllık (6 aylık) yakıt tüketimi ve çalışma süresi sırasıyla yaklaşık 1 149 748 m3
ve 3232 saat olarak tahmin edilmektedir.
Yakıt tedarikçisinden elde edilen ve hesaplamalarda kullanılan doğal gazın kimyasal bileşim ve
hacimce yüzde değerleri içeren veriler tabloda sunulmuştur.
Bileşim
C1 (Metan)
C2 (Etan)
C3 (Propan)
I-C4 (I-Butan)
N-C4 (N-Butan)
I-C5 (I-Pentan)
N-C5 (N-Pentan)
C6+ (Hekzan)
N2 (Azot)
CO2 (Karbondioksit)
HHV
LHV
Özgül ağırlık
Yoğunluk
Atmosfer Basıncı
Birim
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
Kcal/Sm3
Kcal/Sm3
kg/Sm3
bar
Miktar
92,17
3,29
0,96
0,18
0,25
0,071
0,053
0,054
2,60
0,36
9250,14
8344,32
0,61
0,74
0,89
•
•
Sıcak su kazanı, kararlı durum koşullarında çalışmaktadır.
•
Sıcak su kazanı boyunca yüzey sıcaklığı değişse de, sıcak su kazanının (TS)
ortalama yüzey sıcaklığının zaman içinde değişmediği kabul edilmektedir.
•
Sıcak su kazanının yan yüzeyi iyi yalıtılmış, ancak sıcak su kazanının ön ve arka
yüzleri yalıtılmamıştır.
•
•
Ortalama ortam sıcaklığı (T0) her ay için çalışma boyunca sabittir.
Tablo 1'de verilen doğal gaz kompozisyonu ve ortam sıcaklığındaki doğal gaz giriş
miktarı zaman içinde değişmemektedir.
Tüm gaz akımlarının ideal gaz olduğu varsayılmıştır.
Baca gazlarındaki ısı kayıpları baca gazı içindeki kuru baca gazı, nem ve yanmamış
karbon gibi üç kısımda analiz edilebilir. Ayrıca, radyasyon ve konveksiyon ile kazanın
yüzeyinden bir miktar ısı kaybolur.
Kuru baca gazı ile ısı kaybı (LDFG)
𝐿𝐷𝐹𝐺 =
𝐾=
𝐾 𝑥 (𝑇𝐹𝐺 −𝑇0 ) 𝐻𝐻𝑉
𝑥
𝐶𝑂2
𝐿𝐻𝑉
69,7 𝑥 𝐶𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥 (𝐿𝐻𝑉)2
(𝐻𝐻𝑉)3
Baca gazı içindeki yanmamış karbona bağlı ısı kaybı (LCOFG)
𝐾2 𝑥 𝐶𝑂
𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂
𝐻𝐻𝑉
𝐿𝐻𝑉
(1)
𝐿𝐶𝑂𝐹𝐺 =
(2)
Kazan yüzeyinden radyasyon ve konveksiyon ile ısı kaybı (LRC)
𝑥
(4)
′
Baca gazı içindeki nem nedeniyle ısı kaybı (LMFG) 𝐿𝑅𝐶 = 𝑈𝑟 + 𝑈𝑐 𝑥 𝐴 𝑥 (𝑇𝑆 − 𝑇0 )
𝐿𝑀𝐹𝐺 =
9 𝑥 𝐻2 𝑥 (50,00−𝑇0 + 0,50∗𝑇𝐹𝐺 )
𝐻𝐻𝑉
𝑥
𝐻𝐻𝑉
𝐿𝐻𝑉
(3)
𝑈𝑟 =
4
𝐸 𝑥 5,67
𝑇
𝑥[ 𝑆
(𝑇𝑆 −𝑇0 )
100
−
𝑇0 4
]
100
𝑈𝑐 = 𝐵 𝑥 (𝑇𝑆 − 𝑇0 )0,25
𝐿𝑅𝐶 =
𝐿′𝑅𝐶
𝑥100
𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑖𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑡ℎ𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑙
(5)
(6)
(7)
(8)
Toplam ısı kaybı (Ltoplam) ve kazan verimliliği (η)
Sıcak su kazanındaki toplam ısı kaybı, tüm bölümlerdeki ısı kayıplarının toplamıyla bulunur.
𝐿𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 = 𝐿𝐷𝐹𝐺 + 𝐿𝑀𝐹𝐺 + 𝐿𝐶𝑂𝐹𝐺 + 𝐿𝑅𝐶
(9)
Buna göre kazan verimliliği aşağıdaki gibi hesaplanabilir:
𝜂 = 100 − 𝐿𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚
(10)
Fazla hava oranı direkt olarak termal verimlilikle ilişkilidir. Stokiyometrik oranın biraz
üzerindeki (yaklaşık %4) fazla hava oranı, mükemmel yanmayı sağlamaktır, ancak
fazla hava oranı, baca gazı miktarını artıracaktır. Bu nedenle, fazla hava oranının belirli
bir aralıkta kalması önemlidir.
Fazla hava oranı, aşağıdaki denklemden ölçülen oksijen yüzdesi kullanılarak
hesaplanabilir:
𝑂
2
𝜆 = 1 + 21−𝑂
2
(11)
2015-2016 yılı ısı merkezi ölçüm sonuçları
Aylar
Baca gazı Sıcaklığı (°C)
O2 miktarı (%)
CO miktarı (ppm)
CO2 (%)
Ortam Sıcaklığı (°C)
Ekim
260,2
8,65
18
7,06
22
Kasım
259,6
8,63
16
7,07
20
Aralık
308,4
9,28
37
6,69
17
Ocak
310
9,29
40
6,69
14
Şubat
308,9
9,29
41
6,69
15
Mart
258,3
8,32
10
7,25
18
2016-2017 yılı ısı merkezi ölçüm sonuçları
Aylar
Baca gazı Sıcaklığı (°C)
O2 miktarı (%)
CO miktarı (ppm)
CO2 (%)
Ortam Sıcaklığı (°C)
Ekim
181,9
8,59
6
7,09
26
Kasım
171,1
8,04
79
7,40
27
Aralık
164,9
4,35
86
9,51
21
LDFG
LMFG
LCOFG
LRC
Ltotal
η
λ
Ekim
8,66
2,38
0,01
5,02
16,06
83,94
1,70
Kasım
8,62
2,74
0,01
0,87
12,24
87,76
1,70
Aralık
10,98
2,76
0,02
0,72
14,47
85,53
1,79
Ocak
11,04
2,75
0,02
0,71
14,52
85,48
1,79
Şubat
11,00
2,37
0,02
1,13
14,51
85,49
1,79
Mart
8,36
2,37
0,00
6,03
16,77
83,23
1,66
Isı geri kazanım sistemlerinde enerji verimliliğini artıracak yeni
teknolojilerin uygulanması ile kurumlar için işletme maliyetlerinin
düşürülmesi mümkündür. Söz konusu yenilikçi uygulamalar içerisinde
yanma havasını reküparator ile ön ısıtma veya besleme suyunu
ekonomizer ile önceden ısıtma gibi uygulamalar başı çekmektedir.
Özellikle reküperatörler en yaygın ısı geri kazanımlı havalandırma cihazları
olarak; basit yapı, termal sistem üzerinde çok az etki ve yakıt tüketiminin
azalması gibi birçok cazip avantaja sahiptir. Reküperatörler egzoz atık
ısılarını, sıcak su veya buhar kazanları, tavlama veya ısıtma fırınları, eritme
fırınları, gaz yakma fırınları, yeniden ısıtma fırınları gibi orta ile yüksek
sıcaklık uygulamalarında geri kazanırlar.
Doğalgazla çalışan merkezi ısıtma sisteminde baca gazı kaynaklı ısı kaybını
gidermek için reküparatöre olan atık ısı geri kazanım birimi kullanılmıştır. Yanma
havasını ısıtmak için atık ısının bir miktarının geri kazanılması planlanmıştır.
Toplam ısı enerjisi geri kazanım potansiyeli ve doğal gaz tasarrufu formülleri
(Eşitlik 12-14) kullanılarak hesaplanabilir:
𝑄𝐵𝐻𝑅 = 𝑀𝐹𝐺 𝑥 (ℎ𝐹𝐺 − ℎ𝐵𝐻𝑅 )
(12)
𝑄𝐴𝐻𝑅 = 𝑀𝐹𝐺 𝑥 (ℎ𝐹𝐺 − ℎ𝐴𝐻𝑅 )
(13)
𝑄𝑔𝑒𝑟𝑖 𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛ı𝑙𝑎𝑛 = 𝑄𝐵𝐻𝑅 − 𝑄𝐴𝐻𝑅
(14)
𝑁𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙 𝑔𝑎𝑠 𝑠𝑎𝑣𝑖𝑛𝑔𝑠 =
𝑄𝑔𝑒𝑟𝑖 𝑘𝑎𝑧𝑎𝑛ı𝑙𝑎𝑛
(𝐿𝐻𝑉 𝑥 𝜂)
(15)
% Geri kazanım
49,6
QBHR
QAHR
Qgeri kazanılan
Ekim
177490
89445
88045
Kasım
1014250
510596
503654
49,7
Aralık
1551182
782755
768427
49,5
Ocak
1615242
816841
798401
49,4
Şubat
1031541
535228
496313
48,1
Mart
145816
73617
72199
49,5
Sonuçlardan baca gazından ısı geri kazanım yönteminin sıcak su kazanındaki enerjiden
tasarruf etmenin en etkili yollarından biri olduğu açıkça görülmektedir.
Baca gazı sıcaklığını azaltarak kazanın yanma havasını ısıtmak için reküparatör
uygulamasının maliyeti ve geri ödeme süresi aşağıda verilen Eşitlik 16 ve 17 kullanılarak
tahmin edilebilir.
Tasarruf maliyeti;
𝑇𝑎𝑠𝑎𝑟𝑟𝑢𝑓 𝑚𝑎𝑙𝑖𝑦𝑒𝑡𝑖 = Yıllık doğalgaz tasarrufu ∗ yakıt birim fiyatı
(16)
Son olarak, geri ödeme süresi aşağıdaki denklemle hesaplanmıştır;
𝐺𝑒𝑟𝑖 ö𝑑𝑒𝑚𝑒 𝑠ü𝑟𝑒𝑠𝑖 =
𝑌𝑎𝑡ı𝑟ı𝑚 𝑀𝑎𝑙𝑖𝑦𝑒𝑡𝑖
𝑇𝑎𝑠𝑎𝑟𝑟𝑢𝑓 𝑀𝑎𝑙𝑖𝑦𝑒𝑡𝑖
(17)
Burada, yakıtın fiyatı ve ısı geri kazanım sisteminin yatırım maliyeti sırasıyla 1,12 TL/Sm3
ve 32480 TL (reküparatör ünitesinin fiyatı; aktarım ve kurulum maliyetlerini içerir)
civarındadır.
KMÜ merkezi ısıtma tesisindeki sıcak su kazanlarının baca gazlarından ısı geri kazanımına
yönelik enerji verimliliği uygulaması ile elde edilen sonuçlar aşağıda listelenmiştir:
 Sıcak su kazanı toplam yıllık yakıt tüketimi ve parasal değerinin sırasıyla yaklaşık 1 149 748
m3 ve 1 287 718 TL olduğu tahmin edilmektedir.
 Sıcak su kazanının ölçülen baca gazı sıcaklığı 250 °C ile 300 °C arasında değişmektedir. Bu
sıcaklıkların standartların çok üzerinde olduğu gerekçesiyle, ısı geri kazanım sistemi
uygulanmasına karar verilmiştir.
 Sıcak su kazanı baca gazındaki ısı kayıpları % 10-14 arasında değişmektedir. Sıcak su
kazanının baca gazından atmosfere atık ısı ortalaması 421 235 041 kJ / yıl’dır.
 Yakma havasının ön ısıtması için reküperator uygulanarak doğal gaz tasarrufu ve parasal
değeri sırasıyla 53 768 m3 / yıl (44,86 TOE / yıl) ve 59 875 TL / yıl olarak hesaplanmıştır.
 Sıcak su kazanı sisteminde ısı geri kazanım sistemi için yatırım maliyeti ve geri ödeme süresi
sırasıyla 32480 TL ve 6,5 ay olarak bulunmuş ve ekonomik açıdan oldukça uygun olduğu
görülmüştür.
Bu çalışmada kullanılan ölçüm aletleri Mevlana Kalkınma Ajansı
(MEVKA) tarafından desteklenen TR52/15/YNRKG1/0013 numaralı
proje çerçevesinde satın alınmıştır.
Ayrıca alınan ölçümler Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi Bilimsel
Araştırma Projesi Koordinatörlüğü tarafından desteklenen 24-M-16
numaralı proje çerçevesinde gerçekleştirilmiştir.