MDF Üretim Prosesi Kurutma Fanlarında Enerji Verimliliğinin Artırılması

Sanayide enerji tüketiminin enerji verimliliği uygulamalarıyla kontrol altına alınması, tüketimin maliyet ve çevre üzerindeki olumsuz etkilerini minimuma indirmek için en etkili yöntemlerden biridir. Enerjiyi verimli kullanmanın en uygun yolu ise enerji kayıplarının yok denecek düzeye indirilmesini sağlamaktır.

Enerji yoğun sektörlerden biri olan ağaç sektöründe, en yüksek enerji tüketiminin gerçekleştiği MDF (Medium Density Fiberboard) üretim prosesinde enerji verimliliği uygulamaları önem taşıyor. Siemens, bu doğrultuda MDF üretim proseslerinde kullanılan ve elektrik tüketim payı %15’lere ulaşan önemli enerji tüketicilerden kurutma fanlarında, enerji verimliliğinin artırılarak tasarruf sağlanması amacıyla bir çalışma hazırladı.

MDF üretim hattında kullanılan kurutma fanları, lif haline getirilmiş ağacın içerdiği nemi gidermek için ihtiyaç duyulan yüksek debi ve sıcaklıktaki kurutma havasını sağlar. Bu kurutma fanlarının bastığı havanın miktarı ve sıcaklığı, proses ihtiyaçlarına göre değiştirilir ve bu ayarlamalar fanların emiş veya basma hatlarında bulunan kısıcı klapeler vasıtasıyla yapılır. Siemens’in gerçekleştirdiği bu çalışmanın temel hedefi, mevcut durumda proses ihtiyaçlarını basma hattındaki klapenin kontrolü ile karşılayacak şekilde çalışan kurutma fanının, değişken hız sürücüsü uygulamasıyla daha az enerji tüketirken proses şartlarını aynı şekilde sağlamasıdır. Bu sayede fanın sistem olarak verimliliği artırılır ve önemli düzeyde enerji tasarrufu oluşturulur.

Bu çalışmada, örnek bir işletme için kurutma fanında değişken hız sürücüsü kullanılmadan önce yapılan ölçüm değerleri ve hesaplamalarıyla; aynı işletmeye değişken hız sürücüsü uygulandıktan sonraki değerler ve hesaplamalar verilerek böylece elde edilen tasarruf miktarı ve geri ödeme süresi ortaya konuyor. Çalışmada, MDF pres hattında kullanılan kurutma fanında enerji verimliliğini artırmak amacıyla fan motoruna değişken hız sürücüsü uygulamasının etkileri inceleniyor. Uygulama sonucu elde edilecek tasarruf miktarı, teorik hesaplamalarla belirlenip uygulama sonrası ölçümlerle karşılaştırılarak doğrulandı.

Çalışma kapsamında incelemesi yapılan MDF pres hattı kurutma fanı çalıştırılıp kapasite ve güç ölçümleri yapıldı ve mevcut çalışma bilgileri oluşturuldu. Fanda yapılan ölçümler ile mevcut fan dizayn verileri kullanılarak prosese etki eden parametrelerin etkileri analiz edildi. Ayrıca fanın basma hattında bulunan klape açıklık oranlarının fiili durum ile gerçek durum doğrulaması yapılarak sapma olup olmadığı kontrol edildi. Mevcut durumda fan kontrolü ayarlanan motor gücüne bağlı olarak klape açıklığı parametresi ile gerçekleştirilirken, değişken hız sürücüsü uygulaması sonrasında fan kontrolünün prosesin ihtiyacına bağlı olarak klape açıklığı yerine belirlenmiş proses ölçüm parametrelerine göre hesaplanacak kütlesel debiye göre değişken hız sürücüsü ile sağlanması durumunda oluşacak enerji tasarrufu hesaplandı. Bu hesaplamalar uygulama sonrası elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldı.
 

Ülkeler, ürettikleri ya da satın aldıkları enerjinin büyük bir kısmını sanayide tüketir. Sanayide ise enerjiyi en fazla elektrik motorları tarafından kullanılır. Elektrik motorlarının mekanik güç sağladığı fan, pompa ve kompresör gibi mekanik makineler, enerji tasarrufu için en öncelikli bölümlerdir.

Bir fanın daha verimli hale getirilmesini konu edinen bu rapor, aşağıdaki grafik ile örnek bir MDF pres hattında kullanılan kurutma fanının karakteristik eğrisine yer veriyor. Bu grafikte prosesin ihtiyaç duyduğu çalışma noktası, fanın basmasındaki klapeyle ve değişken hız sürücüsüyle ayarlanması yönünden karşılaştırıldı. Bu iki farklı yöntem arasındaki enerji tasarrufu miktarı örnekleme amacıyla gösteriliyor. Grafik 1 ve 2’de karakteristik eğrileri üzerinden inceleme yapıldığında, basma klapesinin tam açık pozisyondan kısık pozisyona doğru ilerlemesi durumunda fandan elde edilecek debi değerinin düştüğü ve fanın çıkışındaki basınç değerinin yükseldiği görülüyor. Bu yükselen basınç, klape sonrasında kısma etkisiyle prosesin ihtiyaç duyduğu seviyeye düşüyor. Aynı zamanda fanın ideal çalışma şartlarından daha düşük debi ve daha yüksek basınç değerlerinde çalıştırılması da fan veriminin kayda değer oranlarda düşmesine yol açabilir.
 

Grafik 1: Örnek Fan Karakteristik Eğrisi

Basma klapesinin %100 açıklıktan %40 açıklığa getirilmesi ile debide ve motorun şebekeden çektiği güçte düşüş gerçekleşiyor. Ancak bu debi düşüşünün basma klapesi ile sağlanması durumunda, motorun şebekeden çektiği güç düşüşü aynı miktarda olmamakla birlikte güç tüketiminde debi düşüşünün daha azı oranında azalma gerçekleşiyor. Halbuki prosesin ihtiyacına göre aynı debi kısma işlemi, basma klapesi yerine değişken hız sürücüsü ile yapılırsa aşağıdaki gibi bir durum oluşur ve motorun şebekeden çektiği güçte, debi düşüşü için gerekli frekans azalmasının küpü (Affinity Kanunu) oranında düşüş olur.
 

Grafik 2: Değişken Hız Sürücüsü ile Fan Karakteristik Eğrisi

Prosesin ihtiyaç hissettiği hava debisi, basma klapesi yerine değişken hız sürücüsü ile sağlandığında, basma klapesinin her iki şartta da % 100 açıklıkta olduğu varsayımıyla oluşacak çalışma karakteristiği yukarıda belirtilmiştir. İhtiyaç hissedilen hava debisi, değişken hız sürücüsü ile sağlandığı zaman (B noktası), frekansın 33,3 Hz olduğu görülüyor. Bu değerde motorun çekeceği güçle aynı hava debisinin klape yöntemiyle gerçekleştirilmesi, motorun çekeceği güçle gerçekleştirilmesine kıyasla % 70,5 kadar yüksek bir oranda verimlilik artışı sağlıyor.

Örnek çalışmanın yapıldığı tesiste pres hattında kurutma işlemi için gerekli taze havayı gönderen fanın 50 Hz frekansta çalıştırıldığı görülmüştür. Debi ayarlama işlemini klape ile gerçekleştiren bu hava hattının emiş hattında sıcak hava girişinin olduğu ayrı bir hat bulunuyor.

Proseste normal çalışma sırasında dış ortamdan emilen taze hava ve sıcak hava prosesin ihtiyaç duyduğu sıcaklıkta fana ulaşır. Fanın çalışması, dış hava sıcaklığı ve hammaddeden de etkilenir.

Fanın basmasında bulunan kısıcı klapenin açıklık oranı kontrolör ile sağlanır ve açıklık verisi kontrolörün üzerinden izlenir. Operatör, proseste üretilen ürüne göre belirlenmiş olan sıcaklık parametresini yakalamak için sıcak gaz klapesini açıp kapar ve değişen sıcaklıkta fan motoru için ayarlanan güç değerini sağlamak için fanın basmasındaki klape, otomatik şekilde açılıp kapanır.

Fan motorunun çekeceği güç ayarı kontrolöre girildikten sonra fan çalıştırılır ve ayarlanan gücü sağlamak için fan basmasında bulunan kısıcı klape açılmaya başlar. Kısıcı klapenin açma işlemi motor için ayarlanan gücün, fiilen çekilen güçle eşleşmesine kadar devam eder ve klape açıklığı istenen güç için ulaşması gereken pozisyona ulaşır. Fanın bastığı havanın sıcaklığı değiştiğinde fan motorunun fiilen çektiği güç de değişir ve bu değişime göre de fanın basmasında bulunan klape açıklığı otomatik olarak ayarlanır.

Fan dizayn verileri kullanılarak mevcut fanın karakteristik eğrisi oluşturuldu ve bu fanın hangi debide, ne kadar basınç üretebileceği bu karakteristik eğriden tespit edilebildi. Dizayn verileri 20OC sıcaklıktaki hava ile çalışılması durumuna göre verildiğinden bu karakteristik eğride 20OC sıcaklıktaki hava yoğunluğuna göre oluşturuldu.

Kurutma fanında pitot tüpü ile yapılan ölçümler fanın basma tarafında yatay hat üzerinde uygun ölçüm noktasında gerçekleştirildi. Yapılan ölçüm ve alınan değerlere ilişkin bilgiler aşağıdaki tablodadır.
 

Tablo 1: Yapılan Ölçüm Sonuçları

►İlginizi Çekebilir: Sıcak Sac Haddehaneleri Descale Pompalarında Enerji Verimliliği

Üretim gerçekleşmediğinde yapılan ölçümlerin yanı sıra hat üretime girdikten sonra da ölçüm yapılmış ve üretimde iken alınan ölçüm değerleri aşağıdaki tabloda belirtilmiştir.
 

Tablo 2: Yapılan Ölçüm Sonuçları (Üretimde)

Sistem üretimdeyken, ürünün kurutulması için gerekli sıcak hava ısısının fazla olması, bacada doğal bir çekiş etkisine ve baca çekişi etkisi de hava hızının artmasına sebep oldu. % 25 ile % 45 klape açıklığı aralığında beş ayrı noktada ölçümler yapıldı. Bu ölçümler sırasında basma hava sıcaklığının düşük olması sebebiyle klape açıklığı, fan motorunun yüksek güç çekmesi ve patlama kapağının zarar görmesi riski nedeniyle % 45 açıklığın üzerine yükseltilemedi. Üretim sırasında kaydedilmiş geçmiş çalışma verilerine bakıldığında da çoğunlukla % 35 ile % 45 klape açıklığı aralığında çalışıldığı görülüyor.

Ölçüm sonuçları farklı ölçüm sıcaklıklarında yapıldığından her bir ölçüm 20oC’deki hava yoğunluğunda gerçekleştirilseydi fanın aynı güç tüketiminde ne kadar hava basacağı hesaplandı.
 

İşletmeden alınan klape açıklık oranı kayıtlarından ortalama çalışılan klape açılığının % 45 olduğu hesaplandı. MDF hattında üretim gerçekleşirken % 45 klape açıklığının, fanın sağladığı hava debisindeki ortalama düşüşü aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

Tablo 3: Debi Kısılma Oranı

Pres hattı kurutma fanında yüzde 100 klape açıklığı yerine ortalama yüzde 45 klape açıklığında çalışılmasının; fanın sağladığı debide ortalama yüzde 28,3 kısma, diğer bir deyişle debinin tam kapasiteye göre % 71,7 kapasitede çalıştığı görülüyor.

Saatlik ortalama 350 kWh’lik tasarrufla yılda 2 milyon 775 bin 168 kWh’lik tasarrufa ulaşacağı yukarıdaki hesaplamalarda gösteriliyor. Bu miktardaki elektrik ise tüketicinin yılda 732.644 TL daha az enerji giderinin olacağı anlamını taşıyor.

Uygulama sonrası için fizibilite hesaplarında öngörülen değerlerle uygulama sonrasında gerçekleştirilen ölçümlerle elde edilen değerler aşağıdaki tabloda kıyaslanmıştır. Kurutma fanının hedeflenen kütlesel debiyi basarken hedeflenen enerji tüketimini gerçekleştirdiği yani fizibilite hesaplarında hesaplanan teorik tasarruf miktar ile uygulama sonrası gerçekleşen fiili tasarruf miktarının birbirini doğruladığı görülüyor.
 

Tablo 4: Fizibilite Hesapları ile Gerçekleşen Kıyaslaması

Enerji tüketiminin en yüksek olduğu alanlardan biri olan ağaç sektörü için üretim proseslerinde yapılan enerji verimliliği çalışmaları büyük önem taşıyor. Üretim süreçlerinde uygulanan verimlilik çalışmaları, kayıp enerji miktarını azaltarak enerjinin daha verimli kullanılmasını sağlar. Enerjiyi daha verimli kullanmak da maliyet ve çevre üzerindeki olumsuz etkileri azaltır.

Bu çalışmada bir MDF üretim hattının önemli enerji kullanıcılarından olan kurutma fanlarını daha verimli hale getirmek amaçlandı. Bu fanların temel görevi lif haline getirilmiş ağacın içerdiği nemi almak olduğu için farklı durumlara göre farklı debi ihtiyaçları vardır. Bu değişken hava debisinin kontrolü ise fanların emiş ya da basma hatlarında bulunan klapelerle sağlanır. Klapelerin kullanımıyla artan sürtünme ve türbülans oranları ise genel enerji verimliliğini düşürür. Bu çalışmada, hattaki hava debisinin kontrolü klapeler yerine değişken hız sürücüleriyle sağlanarak uygulama sonrası yapılan ölçüm sonuçları ile uygulama öncesi yapılan fizibilite hesap sonuçları karşılaştırıldı. Bu karşılaştırılma sonucu, elde edilen enerji tasarruf miktarını belirledi.

Fizibilite hesapları yapıldığında, gerekli hava debisinin klape yerine değişken hız sürücüsüyle sağlanması durumunda saatlik 326 kWh enerji tasarrufu elde edileceği hesaplanırken uygulama sonrasında gerçekleşen enerji tasarrufu 350 kWh olarak ölçüldü. Bu sonuç yıllık çalışma süresiyle çarpılarak bir yıl içinde tasarruf edilecek enerji miktarı 2.775.168 kWh olarak hesaplandı. Enerji birim fiyatı göz önünde bulundurulduğu zaman bu miktarda bir enerji tasarrufunun, gerçekleştirilen yatırımı kısa bir sürede karşıladığı görülüyor.

Ayrıca uygulama sonrası yapılan ölçümler, fizibilite hesaplarının tutarlı olduğunu gösteriyor. Saatlik enerji tasarrufunun, 326 kWh öngörüsünün üzerinde 350 kWh olduğu ölçüldü.
 

 

Şekil 1: Orta Gerilim Değişken Hız Sürücüsü (Sınamıcs Perfect Harmony - GH180)

Mert Kalpar, Bülent Dinçer, Metehan Karaca Siemens Türkiye Makine Mühendisi ve Enerji Verimliliği Uzmanları

Kaynak:


[1] Piekarski, C, Ocak 2012, Energy Consumption in MDF Production, ICIEOM, Santa Catarina, Brezilya