Enerji Verimliliği ve Kayıplar

Konu Anlatımı

Verim ve kayıp kavramı

Bir makinenin enerji tüketimindeki verimlilik, giriş gücünün ne kadarının faydalı işe dönüştüğünü gösterir. Verim, çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır ve yüzde olarak ifade edilir. Kayıp güç ise giriş ile çıkış arasındaki farktır. Güç dengesi P₁ = P₂ + ΔP biçiminde yazıldığında, verim iyileştirmenin amacı ΔP payını küçültmek olur.

Motorlarda kayıplar dört ana başlıkta toplanır. Bakır kayıpları sargı direncinden geçen akımın ısıya dönüşmesiyle oluşur ve akımın karesiyle artar. Demir kayıpları stator çekirdeğindeki değişken manyetik alandan doğan histerezis ve eddy akımı kayıplarıdır; gerilimle ilişkilidir. Mekanik kayıplar rulman, gergi ve hava boşluğu sürtünmelerinden gelir. Ek kayıplar ise genellikle yüksek hızlarda belirginleşen yüzey ve titreşim kayıplarıdır.

Güç faktörü ve reaktif güç

Endüktif yüklerde akım, gerilimden fazla ilerler ve akımın bir bölümü iş yapmadan harmonik bileşen taşır. Aktif güç ile görünür güç arasındaki oran güç faktörü olarak adlandırılır. Güç faktörü düşük olduğunda hat akımı gereğinden yüksek olur; bu durum kablo kesitini, ısı kaybını ve dağıtım sistemindeki yükü artırır.

Güç faktörü, kondansatör banklarıyla düzeltilir. Düzeltme, reaktif gücün azaltılmasıyla hat akımını düşürür; ancak kondansatör kapasitesi çok büyük seçilirse sistem aşırı düzeltilmiş olur ve kompanzasyon sırasında gerilim yükselmesi görülebilir. Bu nedenle düzeltme oranı ölçümlerle desteklenerek belirlenmelidir.

Enerji tüketiminin ölçülmesi

Enerji tüketimi, çekilen güç ile çalışma süresinin çarpımıdır. Bu nedenle tasarruf araştırmasında ölçüm en az üç noktadan yapılmalıdır: tam yük, kısmi yük ve boşta çalışma. Boşta çekilen güç küçük görünse de uzun süreli çalışmalarda toplam tüketime belirgin katkı yapar. Ölçüm, güç analizörü gibi enerji sayacı yerine sayılan ve periyodik olarak tekrarlanan kayıtlara dönüştürülmelidir.

• Verim yüzdesi çıkış gücünün giriş gücüne oranından bulunur.
• Bakır kaybı akımla, demir kaybı gerilimle ilişkilidir; ikisi birlikte ısınmayı belirler.
• Güç faktörü yükseldikçe aynı aktif güç için hat akımı azalır.
• Rotor bakır kaybı, kayma oranı ile çıkış gücünün çarpımıdır.
• Enerji tasarrufu çalışması ölçüm, analiz, uygulama ve doğrulama adımlarıyla yürütülür.

Tasarruf önlemleri ve doğrulama

Önlemler genellikle dört grupta toplanır: gereksiz çalıştırmanın engellenmesi, mevcut ekipmanın verimli çalıştırılması, güç faktörünün iyileştirilmesi ve yeni ekipmanla değiştirme. Bu sıralamada en ucuz önlem önce uygulanır. Bir önlem uygulandıktan sonra tüketim yeniden ölçülerek gerçekleşen kazanç doğrulanır; aksi hâlde kazanç kaydı yazılı bir belgede kalmaz.

Yatırım gerektiren önlemlerde ise kazanç dönemi hesabı yapılır. Bu hesapta dikkat edilmesi gereken, ölçümle kanıtlanmış tasarrufun yıllık değeridir. Tahmine dayalı kazançlarla yapılan hesaplar, sonradan gerçekleşmeyen vaatlere dönüşür ve bakım planına geçmez. Bu nedenle her önlem için ölçüm tarihi, ölçüm yöntemi ve sorumlusu belgelenmelidir.

Ne Öğreneceğiz

Elektrikli makine ve motorlarda verim, kayıp türleri, güç faktörü düzeltmesi, enerji tüketiminin ölçülmesi ve tasarruf önlemlerinin hesaplanarak değerlendirildiği ileri düzey enerji konusudur. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Motor ve makinelerde verim ile toplam kayıp gücünü bağıntılardan hesaplar.
• Bakır, demir, mekanik ve ek kayıpları ayırt eder ve azaltma yollarını açıklar.
• Güç faktörü düzeltmesinde gerekli kondansatör gücünü ve akım kazancını hesaplar.
• Yıllık enerji tüketimini saat ve gün bilgisiyle hesaplayarak tasarruf önerisi geliştirir.
• Kazancı belgelemek için ölçüm, analiz, uygulama ve doğrulama adımlarını sıralar.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Verim, çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır; kayıp payı ise yüzde yüzden verimin çıkarılmasıyla bulunur.
• Bakır kayıpları akımın karesiyle artar, demir kayıpları ise uygulanan gerilimle ilişkilidir.
• Rotor bakır kaybı, kayma oranı ile çıkış gücünün çarpımı olarak hesaplanır.
• Güç faktörü düzeltildiğinde aktif güç sabit kalırken hat akımı azalır ve kablo ısı kaybı düşer.
• Gereksiz çalışan makinelerin boşta çektiği güç, uzun sürelerde toplam tüketimi belirgin biçimde artırır.
• Enerji tasarrufu çalışmaları ölçüm, analiz, uygulama ve doğrulama adımlarıyla kayıt altına alınır.
• Kayıp azaltıldığında yatırım gerektiren önlemlerde kazanç dönemi, ölçülmüş tasarruf üzerinden hesaplanır.
• Ölçüm yapılmadan ilan edilen enerji tasarrufu, doğrulanamaz bir iddia olarak karşılanır.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:

Soru: Çıkış gücü 15 kW olan bir makinenin verimi %88'dir. Giriş gücü kaç kW'dur?

1. Verim bağıntısı çıkış gücünün giriş gücüne oranı olarak yazılır.
2. Giriş gücü, çıkış gücünün verime bölünmesiyle elde edilir.
3. Sonuç kW birimiyle yazılır.

Sonuç/cevap: P₁ = 15 / 0,88 bölmesiyle giriş gücü 17,05 kW olarak bulunur; kayıp payı ise yaklaşık 2,05 kW'dur.

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: 22 kW çıkış gücünde, %88 verimli bir motor günde 8 saat tam yükle çalışmaktadır. Yıllık çekilen enerji kaç kWh'dir?

1. Çıkış gücünden giriş gücü bulunur.
2. Günlük toplam çalışma süresi gün sayısıyla çarpılarak yıllık süreye geçilir.
3. Giriş gücü ile yıllık süre çarpılarak tüketim bulunur.

Sonuç/cevap: Giriş gücü 25 kW ve yıllık süre 8 × 300 = 2400 saat olduğundan yıllık tüketim 25 × 2400 işlemiyle 60000 kWh olarak hesaplanır.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Giriş gücünün bulunması konusunun adımları:

1. Verim bağıntısı çıkış gücünün giriş gücüne oranı olarak yazılır.
2. Giriş gücü, çıkış gücünün verime bölünmesiyle elde edilir.
3. Sonuç kW birimiyle yazılır.

Karşılaştırma Tablosu

Sık Yapılan Hatalar

Verimi ters yönde kullanmak: Verim çıkışın girişe oranıdır; çıkış gücünü verimle çarpmak çıkışı verime bölmekten daha büyük bir hata verir ve tasarrufun büyüklüğünü abartır.

Birimi atlamak: kW değerini doğrudan amper değerine çevirmek yerine akım bağıntısında gerilim, güç faktörü ve verim birlikte kullanılmalıdır.

Güç faktörünü atlama: Akım hesabında yalnızca aktif güç kullanmak, hat akımını olduğundan düşük gösterir ve kablo seçimini yanıltır.

Rotor kaybını sıfır saymak: Kayma oranı küçük olsa bile rotor bakır kaybı, çıkış gücüne göre belirleyici olabilir ve tamamen ihmal edilmemelidir.

Tasarrufu tahmin etmek: Ölçüm yapmadan ilan edilen kazanç doğrulanamaz; tahminle yazılan kayıt sonradan gerçekleşmeyen bir vaat olarak karşılanır.

Zaman birimini karıştırmak: Gün, saat ve vardiya bilgileri karıştırıldığında yıllık enerji tüketimi onlarca kat yanlış hesaplanır.

Özet

Verim, çıkış gücünün giriş gücüne oranıdır ve güç dengesi P₁ = P₂ + ΔP yazımıyla kayıp gücün belirlenmesini sağlar. Örneğin 22 kW girişten 18,5 kW çıkış alan bir makinede kayıp %15,9, verim %84,1 olur; 15 kW çıkış ve %88 verimde giriş 15 / 0,88 bölmesiyle 17,05 kW bulunur. Bakır kaybı ΔP_Cu = 3 × I² × R ile akımla, demir kaybı gerilimle ilişkilidir; rotor bakır kaybı ΔP_r = s / 100 × P₂ bağıntısıyla kayma oranından hesaplanır. Üç fazlı hat akımı I = P / (√3 × U × cosφ) bağıntısıyla bulunur ve 22 kW, 400 V, 0,85 güç faktöründeki bir yükte güç faktörü 0,95'e çıkarıldığında akım 192,5 A'dan 151,9 A'a inerek 40,5 A azalır. Gerekli kondansatör gücü Q_c = P × (tanφ₁ − tanφ₂) ile 55,3 kvar olarak hesaplanır. Yıllık tüketim E = P × t bağıntısıyla ölçülür; boşta bekletilen bir makinede yıllık 1350 kWh tasarruf sağlanabilir.

Kendini Dene

Soru: Bir işletmedeki bir makinenin boşta bekletilmesi nedeniyle oluşan enerji kaybını hesaplayan bir çalışma kâğıdı hazırla; hangi ölçümleri, hangi varsayımları kullandığını yaz.

Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Boşta çekilen gücün ölçümle belirlenmesi 4 puan; Yıllık bekleme süresinin gün ve saat bilgisiyle kurulması 4 puan; Enerji bağıntısının yazılması 3 puan; Varsayımların açıkça belirtilmesi 2 puan; Düzen ve imla 2 puan. Toplam 15 puan. Model cevap: Önce bekleme anındaki güç ölçülür, ardından günlük bekleme süresi gün sayısıyla çarpılarak yıllık süre bulunur ve E = P × t bağıntısıyla yıllık kayıp kWh olarak hesaplanır; varsayılan çalışma koşulları yazılır.