Mehmet KÖSE - Makine Mühendisi / Lupamat Kompresör

Sıkıştırılmış hava elde etme prosesi oldukça maliyetli bir iştir ve her endüstri alanında sıkıştırılmış havanın oldukça yaygın bir kullanımı vardır; pnömatik el aletleri, pnömatik robotik sistemler, pnömatik kontrollü makineler vb. 

Sıkıştırma prosesinde, sisteme verilen 100 kW enerjinin yaklaşık %9-10 ‘nu yararlı enerji olarak kullanılabilmektedir. Diğer kayıplar; ısı kayıpları (%80), kurutucu kayıpları(%3), sistemdeki filtrelerden kaynaklı ve sistemdeki kaçak kayıpları (%6), pnömatik aletlerin mekanik enerji dönüşüm kayıpları (%2) gibi kullanılamayan kayıplar olarak kaybolmaktadır. 

Son zamanlarda, sıkıştırılmış hava sistemlerinin enerji verimliliği tartışılır hale gelmiş ve enerji verimliliğinden elde edilecek kazanımlar büyük önem kazanmıştır. Sıkıştırılmış havanın endüstride olmazsa olmaz bir kullanımının olduğunu düşünürsek; kompresörlerin kayıp enerjilerini değerlendirerek, işletmenin çalışma kabiliyetine uygun optimal ayar aralıklarında kompresörleri kullanarak elde edeceğiniz enerji kazanımları ile önemli kazançlar sağlayabilirsiniz. Bu yüzden kompresörlerde enerji verimliliği üzerinde durulması gereken oldukça önemli bir konudur. Enerji verimliliği dikkate alınarak; basınçlı hava sisteminizin doğru projelendirilmesi (basınç kayıpları, boru çapları, gereksiz bağlantı elemanları...) işletmenizin davranışına uygun doğru kapasiteli kompresör seçilmesi/kullanılması, kompresör çalışma ayarlarının (yükte-yüksüz çalışma basınç aralığı) işletmenizin optimal çalışma senaryosuna göre kurulması ve kompresör çalışma kontrol sisteminizin doğru yönetimin sağlanması vb. önemli konu haline gelmiştir. 

Şekil-1 de göreceğimiz üzere, sıkıştırılmış hava sisteminin bir çalışma ömrü süresince (kompresör gücü 55 kW olmak üzere, bir günde iki vardiya ve haftada 5 gün çalışma, 10 yıl ve üzeri ekipman ömründe) ortaya çıkardığı maliyetleri; ekipman maliyeti (%12), bakım maliyeti (%12) ve elektrik enerjisi maliyeti (%76) olarak düşünebiliriz. Burada da görüleceği üzere en önemli maliyetin elektrik enerjisi maliyeti olduğu açıktır. Bu nedenle bu elektrik enerjisi maliyetini, en etkin bir şekilde yöneterek sıkıştırılmış hava sisteminizin enerji verimliliğine ve işletmenizin enerjiden tasarruf edebilmesine katkı sağlayabilirsiniz.

Şimdi, enerji verimliliğine katkı sağlayacak parametrelerden biri olan kompresörün çalışma stratejilerinden önemli ikisini irdeleyelim: Sabit hız kontrollü ve değişken hız kontrollü kompresörler.

Sabit Hız Kontrollü (FSD): 
Sabit hız kontrolü ile yol verilen kompresörler sadece yükte (load) yada yüksüz (unload) modunda kontrol edilebilir. Bu yöntemde kompresör emiş klapesi kısılarak (çok verimli bir yöntem olmasa da) değişken hava akışı elde etmek mümkün olabilmektedir. 

Kompresör, otomatik bekleme (stand-by) modunda herhangi bir enerji tüketimi yok iken şebekedeki tüketimin artması ve basıncın düşmesi ile (yüke girme basıncına ulaştığında) yükte (load) modunda çalışmaya başlar, tüketimin azalması ve hava depolama tankında basıncın yükselmesi ile (yüksüz çalışma basıncına ulaştığında) yüksüz (unload) modda çalışmaya devam eder. Tanımlanan zaman içerisinde şebekede herhangi bir tüketim yok ise otomatik bekleme (stand-by) moduna geçer. Şebekedeki tüketimin dalgalı bir seyri olması durumunda kompresörün yükte-boşta çalışma sıklıkları artarak fazla enerji tüketimine sebep olacaktır (Şekil-3). Bu durumda elektrik motorunun saat başındaki durma ve kalkma sıklığı limitlerine ulaşmasıyla yada durma-kalkma sıklığının sıkça tekrarlanması ile elektrik enerjisi tüketimi artacak ve elektrik motorunun ömrü kısalarak, zarar görmesine sebep olacak; işletme-bakım maliyetlerinin artmasına ve işletmede duruş kayıplarına yol açacaktır.

Enerji verimliliği düşünüldüğünde; yüksüz (unload) modda çalışma durumunda tüketilen enerji, tam yükte (load) modda çalışma durumundaki tüketilen enerjinin yaklaşık %15-35'i kadardır ve hava üretimi yoktur.

Burada değinmeden geçemeyeceğim enerji verimliliğine etki eden diğer önemli iki parametreden biri de depolama tankının kapasitesidir. Şekil-2'de görüldüğü üzere büyük kapasite depolama tankının kullanılması üretilen havanın daha fazla depolanmasını sağlayacak ve kompresörün yükte- yüksüz gereksiz çalışma periyodunu azaltarak enerji tasarrufu sağlayacaktır.

Diğer ikinci parametre ise yüke girme (load) ve yüksüz çalışma (unload) basınçları arasındaki ∆P basınç farkıdır. Şekil-3‘te görüleceği üzere yükte-yüksüz çalışma kontrolünde kaybolan enerji kayıpları söz konusudur. Buradaki kayıpları da yükte ve yüksüz çalışma basınç aralıklarının-∆P basınç farkının-işletmenin tüketim davranışına göre optimal olarak ayarlanması ile azaltabilir ve önemli bir şekilde enerji tasarrufu sağlayabilirsiniz.

Temel kurala göre her +0.14 bar basınçtaki artış , +%1 ekstra (1 barda.. %7.1 ) enerji kullanımına neden olacaktır.

Bir örnekle, basınç artışındaki bu maliyeti hesaplayalım: 

Bir işletmemiz 75 kW kompresör ile yılda 8.000 saat (7/24) çalışıyor olsun. Kompresörün yükte (load) çalışma basıncı 5.5 bar, yüksüz (unload) çalışma basıncı 6.5 bar olsun. Daha sonra kompresörün yükte basıncını aynı kalacak şekilde 5.5 bar olarak bırakalım ve yüksüz çalışma basıncını +1 bar olacak şekilde artırarak 7.5 bar olarak değiştirelim. Bu durumda yıllık ekstra enerji kaybını hesaplayalım. 

* Load pressure = 5.5 bar <> unLoad pressure = 6.5 bar ortalama basınç = 6.0bar 
* Load pressure = 5.5 bar <> unLoad pressure = 7.5 bar ortalama basınç = 6.5bar 
* Ortalama kayıp = 0.5 bar 

Temel bir kural olarak, her 1 bar basınç artışında 7,1% ekstra enerji gerekliliğinin olduğunu düşünecek olursak, +0,5 bar artışta %3,5 ekstra enerji gerekliliği olacaktır. Bu durumda Tablo-1 verileri dikkate alınarak; 1.576.105 TL/yıl x 3.5% = 55.163 TL /yıl/0.5bar ekstra bir enerji kaybımız olacaktır. Bunun tam tersini düşünecek olursak, yüksüz çalışma basıncını -0.5 bar azaltmamız halinde enerji kaybımız enerji tasarrufuna dönüşecektir.

Değişken Hız Kontrollü (VSD): 
Değişken hız kontrolü ile yol verilen kompresörlerde elde edilen hava akışı elektrik motorunun farklı hızlarda sürülmesi ile değişebilmektedir. Elektrik motoru invertör ile yada frekans kontrolü ile sürülerek hızı artırılıp azaltılabilir. Şebekedeki tüketime bağlı olarak kompresör değişken hız kontrolü ile sürülerek hızını ayarlar; azaltır veya artırır. Şebeke hava tüketimi değişken ve düzenli bir şekilde dalgalanıyorsa VSD kompresör kullanmak tartışmasız daha verimli olacaktır.

Şebekede hava tüketimi uzun bir zaman yok ise otomatik bekleme devreye girerek enerji tasarrufu için kompresör bekleme (stand-by) moduna geçer. 

Genel olarak FSD ve VSD kompresörleri mukayeseli olarak ele alacak olursak;

Şekil-4'de görüldüğü gibi sabit hız kontrollü kompresörler %100 yüklemede sürekli çalışması durumunda VSD (değişken hız kontrollü) kompresörlere göre avantaj elde etmektedir. Burada; %100 yüklemede FSD (sabit hız kontrollü) kompresör 100 kW güce ihtiyaç duyarken, VSD kompresör 110kW güce ihtiyaç duyacaktır. Yine %0 yüksüz iken ilk enerjilenme durumunda FSD kompresör 32 kW enerjiye ihtiyaç duyarken, VSD kompresör 8kW enerjiye ihtiyaç duyacaktır ki enerji verimliliği açısından bu önemli bir tercih noktasıdır. Enerji verimliliğini dikkate alarak diyebiliriz ki, kompresörün %70-75 yüklemenin altında kalan yüklemelerde VSD kompresörlerin tercih edilmesi gerekliliği kaçınılmazdır.

Şimdi bir örnek ile yükte (load) ve yüksüz (unload) durumlardaki bir işletmenin yıllık elektrik enerjisi maliyetlerini hesaplayalım.

İşletmemizin 160 kW güce sahip yılda 8.000 saat çalışan bir kompresörü olduğunu varsayalım. Kompresör bu çalışma zamanın %85‘ni (%100 yükte, motor verimi 0,95) ve kalan zamanın %15‘ni (%25 yükte, motor verimi 0,90) çalışmış olsun. Bu durumda Tablo-2‘de yıllık yükte-yüksüz elektrik enerjisi maliyetleri ortaya çıkacaktır.

Sonuç olarak, her geçen gün enerji verimliliği politikalarına ilgi artarken, doğru bir kompresör seçimi ve optimal ayarlarda kompresör yönetimi ile elde edilecek enerji kazancı üzerinde düşünülmeye değerdir.

KAYNAKÇA
[1] Industrial Technologies Program Energy Efficiency and Renewable Energy; www.eere.energy.gov/industry 
[2] Energy Efficiency of Compressed Air Systems; www.sciencedirect.com 
[3] Energy Efficiency Reference Guide;Compressed air; www.ceati.com 
[4] Saving Money on compressed air; https://www.air-compressor-guide.com