Günümüzde enerjinin önemi gün geçtikçe artmaktadır. Sürdürülebilir bir yaşam için enerji ve kaynaklarının kullanımı konusunda her geçen gün önlemler alınmakta ve iyileştirmeler yapılmaktadır. Enerji kaynaklarının en önemlisini oluşturan petrol, doğalgaz, kömür gibi fosil yakıtların hızla tükenmekte oluşu ve bu kaynakların yol açtığı çevresel sorunlar tasarrufu ve enerji verimliliğini gündeme getirmiştir. Akışkanların transferinde kullanılan pompaların tükettiği toplam enerji birçok insanın fark etmediği kadar fazladır. Pompaların dünya elektrik tüketimi içindeki payı %20 gibi devasa bir orana denktir. Eğer yüksek verimli pompalar kullanılır ise dünyadaki toplam elektrik tüketimi %4 azaltılabilir, bu miktar 1 milyar insanın evinde tükettiği elektriğe eş değerdir.
Pompalar hayatımızda yaygın olarak birçok uygulamada kullanılmaktadır. Binalarda, endüstriyel uygulamalarda, tarımda, su temininde, örneklerle açıklamak gerekirse; evlerde basınçlı su transferinde, ısıtma soğutma uygulamalarında, barajlardan şehirlere su transferinde, atık suyun arıtma tesislerine transferinde ve bunlar gibi diğer uygulamalarda kullanılan ekipmanlardır. Birçok fabrikada pompaların tükettiği enerji, toplam elektrik tüketimlerinin %20 ila %50’si arasındadır.
Pompa seçimlerinin doğru yapılması, basınç kayıplarının doğru hesaplanması, sistem tasarımlarının doğru yapılması, otomasyon ve yeni teknolojilerin kullanılması ile pompaların tükettiği enerjinin ortalama %30’unu tasarruf edebiliriz. Bu sebeple pompa sistemlerinin enerji verimliliği önemle ele alınan bir konu olmuştur. Bu incelemede elektrik enerjisinin yoğun olarak kullanıldığı pompa sistemlerinde enerji verimliliğini arttırıcı bilgiler paylaşılmaya çalışılmaktadır.
Pompa sistemlerinin çalışmasında pompaların yüksek kaliteli malzemelere sahip olmaları, yüksek verimli motorlara sahip olmaları sistemin verimli çalışması için tek başına yeterli değildir. En yüksek verimliliğin elde edilmesi ancak iyi bir sistem dizaynına, iyi bir pompa dizaynına ve bu iki dizaynın arasındaki ilişkiyi belirleyen çalışma şartlarına bağlıdır. Belli bir uygulama için pompa seçerken pompanın yüksek verimlilik alanında çalışma noktası olan pompayı seçmek önemlidir. Aksi takdirde pompanın güç tüketimi gereğinden fazla olacaktır. Ancak sistem ihtiyaçlarının değişkenlik gösterdiği durumlarda optimum çalışma noktasına uyan pompayı seçmek mümkün olmayabilir. Bu yüzden değişen ihtiyaçlara göre pompa performansını ayarlamak gerekebilir. Pompa performansını değiştirmek için en çok aşağıdaki yöntemler kullanılmaktadır.
- Kısma kontrolü
- Bypass kontrolü
- Çark çapını değiştirmek
- Hız kontrolü
Pompa performansını ayarlamak için hangi metodun kullanılacağı ilk yatırım masrafları ile pompanın işletme masraflarının birlikte değerlendirilmesine bağlıdır. Satın alma fiyatı, uzun süre kullanımlı pompalar için yaşam döngüsü maliyetinin küçük bir parçasıdır.
ÖMÜR DEVRİ MALİYETİ
Herhangi bir cihazın ömür devri maliyeti, o cihazı satın alma, monte etme, çalıştırma, bakımını yapma ve hurdaya çıkarma için gereken toplam “ömür” maliyetidir. Ömür devri maliyetini belirleme, eşitliğin tüm parçalarının tanımlanması ve miktarının belirlenmesi metodolojisini takip etmeyi içermektedir. Muhtemel dizayn ya da diğer alternatifler arasında karşılaştırma yapmak için kullanıldığında, ömür devir maliyeti süreci mevcut bilgiler dahilinde en etkin maliyetli çözümü gösterecektir.
Bir pompanın ömür devri maliyetini oluşturan bileşenler
Ömür Devri Maliyeti Unsurları
LCC = C ic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd
LCC = ömür devri maliyeti
Cic = ilk yatırım maliyetleri, satın alma fiyatı
Cin = montaj ve devreye alma maliyeti
Ce = enerji maliyeti
Co = işletme maliyeti (işgücü maliyeti)
Cm = bakım ve onarım maliyetleri
Cs = arıza maliyeti (üretim kaybı)
Cenv = çevre maliyetleri
Cd = devreden çıkarma/hurdaya ayırma maliyetleri
İlk Yatırım Maliyetleri, Satın Alma Fiyatı
Bir pompa sisteminin ilk yatırım maliyetleri, o sistemi çalıştırmak için gerekli pompalar, frekans konvertörleri, kontrol panoları ve sensörler gibi tüm ekipman ve aksesuarları kapsar.
Bakım ve Onarım Maliyetleri
Bakım ve onarım masrafları isminden de anlaşılabileceği gibi, bir pompa sisteminin bakım ve onarımıyla ilgili tüm masrafları kapsar, örneğin işçilik masrafları, yedek parçalar, nakil ve temizleme. Bir pompada optimum çalışma ömrü elde etmenin ve bozulmaları engellemenin en iyi yolu, önleyici bakımlar yaptırmaktır. Dijitalleşen dünya ile birlikte yakın gelecekte “Nesnelerin İnterneti” vasıtasıyla kestirimci bakımlar mümkün olacaktır.
Enerji Maliyeti
Çoğu durumda, pompa sistemlerinin ömür devri maliyetleri içerisinde en yüksek masraf, pompaların senede 200 saatten daha fazla çalıştığını da göz önüne alırsak, enerji maliyetleri olmaktadır. Aşağıda bir pompa sisteminin enerji tüketimini etkileyen faktörlerden bazılarının yer aldığı bir liste bulunmaktadır:
- Yük profili
- Pompa verimi (çalışma noktasının hesabı)
- Motor verimi (yüksek verimli motorların kısmi yükteki motor verimi ile normal verimli motorlarınki arasında oldukça büyük farklar olabilmektedir)
- Pompa ebadı (toleranslar ve yuvarlamalar genellikle gereğinden büyük pompaların seçilmesine yol açar)
- Boru ve vanalar gibi diğer sistem bileşenleri
- Hız kontrollü çözümlerin kullanımı. Endüstride hız kontrollü pompaların kullanımı ile enerji tüketimini %50’ye varan oranlarda düşürmek mümkün olabilmektedir.
Yük profili örneği
POMPA SİSTEMLERİNDE FREKANS KONVERTÖRÜ KULLANIMI
Akış tahrik sistemlerinde çoğu zaman değişken ihtiyaçlar bulunmaktadır. Pompalar gibi akış üreten cihazlar genellikle hız ayarı olmadan kullanılmaktadır. Bunun yerine ihtiyaç olan miktarın sağlanmasında regülatörler, vanalar, subaplar görev almaktadır. Motor her zaman tam hızda çalışır bu da ihtiyaç olmadığı anlarda gereksiz çalışma ve israf edilen bir enerji anlamına gelir. Bir yandan sürekli bir akış iletmek isteyen sistem varken diğer yandan akışı kısıtlayan elemanlarda sürtünme ile ısıya dönüşen bir güç vardır ve sistem veriminin düşmesine neden olur. Bu durumu araba kullanırken sonuna kadar gaz pedalına basıp, yavaşlamak ya da hızı kontrol etmek için fren pedalını kullanmaya benzetebiliriz. Enerjiyi boşa atmakla birlikte mevcut donanım da gereksiz yere yıpranmış olur.
Su boru hattı sistemlerinde kullanılan elektrik motorlarının çoğu sincap kafesli asenkron motorlardır. Bu modellerde motor devrini kontrol altına almanın yolu giriş akım (alternatif akım) frekansını değiştirmek ile mümkündür. Frekans Konvertörü; İnvertör, Değişken Hız Sürücüler (DHS – VFD), Değişken Frekanslı Sürücüler (VFD) veya Frekans Dönüştürücüsü gibi birçok isimle bilinmektedir. Tüm bunlar aynı şeyi tanımlamaktadır ve elektrik motorlarında kademesiz hız ayarını sağlayan elektronik bir cihazdır. Günümüzdeki VFD sistemleri, sistem içerisindeki diğer elemanların kontrolü ve korunması gibi farklı fonksiyonları da yerine getirirler. Frekans çevirici aracılığıyla hız kontrolü, debi ihtiyacının değişkenlik gösterdiği durumlarda pompa performansını ayarlamak için hiç şüphesiz en etkili yöntemdir. Özellikle son yıllarda frekans konvertör ekipmanlarının fiyatlarının düşmesi ve gelen yönetmeliklerle birlikte frekans konvertörlerinin kullanımı artmıştır.
Benzeşim Kanunları
Pompa hızının değişimiyle performansın nasıl değiştiğini, diğer bileşenlerin bu değişimden nasıl etkilendiğini benzeşim kanunları ortaya koymaktadır. Aşağıdaki formülde pompa debisinin (Q) pompa hızıyla (n) orantılı olduğunu gösterir. Basma yüksekliği (H), hızın (n) karesiyle orantılıyken, güç (P) de hızın küpüyle orantılıdır. Pratikte hızdaki bir azalma, verimde hafif bir düşmeye yol açar. Hız ayarının mümkün olduğu pompalarda gücün hızın küpü ile orantılı olarak değiştiğini göz önüne alırsak elektrik tüketiminde büyük tasarruf sağlanması mümkündür.
ÖRNEK:
20 yaşındaki pompa istasyonu yenilenmeye ihtiyaç duymakta ve aynı zamanda işletme maliyetini düşürmek istemektedir.
> Toplam Isıtılan Alan:80.000 m2
> Toplam Isı İhtiyacı: 6.000 kW
> Mevcut Pompa Debisi: 129 m3/h
> Mevcut Basma Yüksekliği: 18 mSS
Mevcut pompa (20 yaşında):
> 1 Asil + 1 Yedek – Sabit Hızlı Pompa, Eş Yaşlandırma Mevcut Ömür Devri Maliyeti, 2 yeni alternatife göre hesaplanacaktır.
> Sistem 1: 1 Asil + 1 Yedek-Sabit Hızlı pompa
> Sistem 2: 2 Asil + 1 Yedek-Frekans Kontrollü pompa
FREKANS KONVERTÖRLÜ POMPA ÇÖZÜMLERİ
Sabit Basınç Kontrolü
Pompa, bir tanktan aldığı suyu binadaki çeşitli musluklara taşıyacaktır. Musluktan akacak su talebi değişkendir, dolayısıyla sistem karakteristiği de gereken debiye göre değişmektedir. Konfor ve enerji tasarrufu açısından sabit basınçlı besleme önerilmektedir. Şekil 4’te görülebileceği üzere çözüm, PI kontrolüne sahip bir hız kontrollü pompadır. PI-kontrolörü, gerekli basınç olan Pset’i, PT basınç sensörü ile ölçülen gerçek besleme basıncı P1 ile karşılaştırır. Eğer gerçek basınç ayar noktasındaki basınçtan yüksekse, PI kontrolörü P1 = Pset olana dek hızı ve dolayısıyla pompa performansını düşürür. Şekil 4’te, debi Qmax’tan Q1’e düşürüldüğünde ne olduğu gösterilmektedir. Kontrolör, gerekli çıkış basıncının P1 = Pset olmasının sağlanması için pompa hızının nn den nx’e düşürüldüğünü kontrol eder. Pompa tesisatı, besleme basıncının 0 – Qmax debi aralığı arasında sabit olmasını sağlar. Besleme basıncı, tanktaki h seviyesinden bağımsızdır. Eğer h değişirse, PI kontrolörü pompa hızını P1’in her zaman için ayar noktasına eşit olmasını sağlayacak şekilde değiştirir.
Hız kontrollü pompayla sisteme sabit basıncın sağlandığı su temini sistemi
Sabit Sıcaklık Kontrolü
Şekil 5’te, yüksek kaliteli üretim için su soğutmalı olması gereken enjeksiyonlu kalıplama makinesine sahip bir sistem gösterilmektedir. Makine, soğutma ünitesinden gelen 15oC’deki su ile soğutulmaktadır. Kalıplama makinesinin düzgün çalışmasını ve yeterince soğutulmasını sağlamak için, dönüş borusu sıcaklığı tr = 20oC değerinde sabit tutulmalıdır. Çözüm, PI kontrolöre sahip bir hız kontrollü pompadır. PI kontrolörü gereken tset sıcaklığını, TT sıcaklık iletkeni ile ölçülen dönüş borusundaki tr gerçek sıcaklık değeriyle karşılaştırır.
Bu sistemin sabit bir sistem karakteristiği vardır ve dolayısıyla pompanın çalışma noktası eğri üzerinde Qmin ve Qmax arasında yer alır. Makinedeki ısı kaybı arttıkça, dönüş borusu sıcaklığının 20oC’de sabit tutulmasını sağlamak için gerekli soğutma suyu debisi de artar.
Enjeksiyonlu kalıp makinesi ve geri dönüş borusunda sabit sıcaklık sağlayan bir sıcaklık kontrollü sirkülasyon pompasından oluşan sistem
Oransal Basınç Kontrolü
Isıtma ve havalandırma sistemleri gibi kapalı sistemlerde, pompa sadece boru, vana, eşanjör gibi ekipmanlardan kaynaklanan sürtünme kayıplarını yenmek durumundadır. Örnek verilen sistemde 15 m3/h tam kapasiteli akıştaki toplam sürtünme kayıpları 18 m’dir. Sistemdeki kontrol vanaları her zaman için belli bir işletme basıncına ihtiyaç duyar, bundan dolayı pompa sistem eğrisine göre çalışamaz. Bu yüzden bazı hız kontrollü pompalar oransal basınç kontrolü fonksiyonuna sahiptir, böylece pompa şekilde gösterilen turuncu eğriye göre çalışacaktır. Şekil 6’da görülebileceği gibi, asgari performans tam hızın %57 si civarındadır. Sirkülasyon sistemlerinde bazı durumlarda, örneğin ısıtma sistemlerinde gece çalışması söz konusuysa minimum eğride (tam hızın %25’i) çalıştırma uygun olabilmektedir.
Oransal basınç kontrolü
SONUÇ
Gittikçe kısıtlı hale gelen enerji kaynaklarımızı en verimli şekilde kullanmamız gerekmektedir. Bu durum ülke ekonomisine ve çevre korunmasına katkıda bulunacaktır. Pompalarda enerji verimliliği konusu oldukça önemlidir ve bu konuda sanayi kuruluşlarının ve her bireyin bilinçlendirilmesi gerekmektedir.
Çalışmada bahsi geçen konular ışığında daha verimli ve sürdürülebilir bir dünya yaratabiliriz.
Kaynak: Utku KANAR, Makine Mühendisi, MBA, İş Geliştirme Uzmanı, Grundfos Pompa San. ve Tic. Ltd. Şti.