Endüstriyel Havalandırmada Verimli Akış Kontrol Yöntemleri

Fanlar genellikle geniş bir çalışma şartı aralığında hizmet ederler. Örneğin, birçok endüstriyel fan sistemi üretim taleplerindeki ve ortam şartlarındaki değişimler sebebiyle değişken yüklere maruz kalırlar. Talep değişimlerine uyum sağlayabilmek için, akış dört temel yöntem ile kontrol edilir: direnç kontrol cihazları, akış profili kontrol cihazları, ayarkanabilir kanatlı fanlar ve hız kontrolüdür.

Bu makale danışman, proses ve tesis mühendislerinin projelerinde hangi yöntemin en iyi yaklaşım olduğunu belirleyebilmeleri için dört kontrol metodunu özetlemektedir.

Temel Prensip

Dört kontrol metodundan her birinin, kurulum maliyeti, akış kontrol etkinliği ve enerji verimliliği açısından avantajları ve dezavantajları vardır. Nispeten kullanım sıklığı düşük olan fan sistemlerinde (örneğin yılda 500 saatten az), yatırım maliyeti baskın faktör olabilir. Yüksek çalışma süreli uygulamalarda, akış kontrol etkinliği ve enerji verimliliği anahtar belirleyiciler olabilir. Yüksek çalışma süreli fanlar genellikle üretime direkt destek verirler ya da güvenli çalışma koşullarının devamlılığını sağlarlar. Her iki durumda da fan sisteminin çalışma verimliliği yüksek önceliklidir. Akış kontrol seçeneklerinin göreceli verimlilikleri Şekil 1’de gösterilmiştir.

Bu akış kontrol seçenekleri içerisinde, sadece ayarlanabilir kanatlı fanlar, donanım güçlendirmeler için kullanılmazlar. Bunun sebebi, orijinali kanat açısı ayarlamaya göre tasarlanmamış fanlarda, kanat açısı ayarlama sistemi ile donanım güçlendirilmesi yapılamaz çünkü bu sistemin ayar mekanizmaları çok karmaşık komponentler içermektedir.

Fanların çoğu beklenen en yüksek çalışma veya pik şartları (çoğunlukla test bloğu şartları olarak adlandırılır) karşılayacak şekilde boyutlandırılmıştır. Normal çalışma koşulları pik çalışma koşullarından oldukça aşağıda olduğundan, hava hareketlendirme ekipmanları genellikle olması gerekenden büyük seçilmiştir ve en verimli çalışma noktasının altında çalışıp yüksek enerji maliyetlerini de içeren problemler çıkarırlar, yüksek sistem basıncı ve gürültüye sahiptirler, sistem içerisinde parçacıklı madde içeriğinin yüksek olduğu durumlarda ise gövde ve kanatlarda aşınmalar görülür. Bu sebepten arttırılmış çalışma süreleri ile fanların pik koşulları karşılaması için büyük seçilme eğilimi bir araya geldiğinde, etkin akış kontrolününün gerekliliği artmaktadır. Genellikle akış kontrol cihazları yatırım maliyeti baz alınarak seçilirler, fakat performansları ile ilişkili maliyetler göz ardı edilir. Aşağıda dört kontrol yaklaşımı da sırasıyla açıklanmıştır.

Şekil 1.  Çeşitli fan kontrol yöntemleri

Direnç Kontrol Cihazları

Direnç kontrol cihazları sistem damperlerini, hava çıkış damperleri ve zıt kanatlı hava giriş damperlerini içerir. Paralel ve zıt kanatlı olmak üzere iki çeşit damper vardır ve bu damperlerin farklı şekillerde konumlandırılması Şekil 2’de gösterilmiştir. Zıt kanatlı damperler, paralel kanatlı damperlere göre daha hassas kontrol sağlarlar. Fana bitişik olarak konumlanmamış tüm damperlere sistem damperi denilir. Kanal sistemi içerisinde, fanın akışönü veya akışarkasına herhangi bir yere konumlanabilirler. Tüm bu damperler bulundukları yerden bağımsız olarak aynı yöntem ile çalışırlar. Damperler akış kontrolünü, akış yolu üzerindeki kısıtlamayı değiştirerek yaparlar. Damperler kapandıkça, akış miktarını azaltırken sistem basıncını arttırırlar. Damperler sistem direncini arttırdıklarında fanları daha yüksek basınca karşı çalışmaya zorlarlar. Bu da fanların çıktısını azaltır. Fanlar daha yüksek basınca karşı çalıştıklarında, performans eğrileri üzerindeki çalışma noktaları sola doğru kayar (Şekil 3). En iyi verimlilik noktasından uzakta çalışan fanların hem enerji tüketim hem de bakım maliyetleri artar. 

Şekil 2. Fan Kontrol Cihazları

Akış Profili Kontrol Cihazları

Akış profili kontrol cihazları ayarlanabilir emiş kanatlarını ve paralel kanatlı emiş hücresi damperlerini içerirler ve fanın içerisine gire akışın profilini değiştirmek ile görevlidirler. Bu cihazlar hava profili içerisinde fan pervanesinin döndüğü yöndesarmallar oluştururlar. Hava akışındaki bu sarmallar, fan kanatları ile fana gelen havanın hücum açısını düşürerek fandaki yükü azaltır ve sonuç olarak fan basıncı ve debisi düşer. Bu cihazlar giriş hava sarmalının şiddetini değiştirerek, hava debisi – basınç fan eğrisini etkin olarak değiştirirler (Şekil 4).

Hem hava debisini hem de fan yükünü düşürebildiklerinden, emiş kanatları veya paralel kanatlı emiş hücresi damperleri, direnç kontrol cihazlarına göre fan verimliliğini arttırabilirler. Emiş kanatları veya paralel kanatlı emiş hücresi damperleri, özellikle hava debisi talebinin tam akışın %100’ü ile %80’i arasında değiştiği durumlarda maliyet etkindir. Buna karşın daha düşük hava debilerinde verimlilik seviyesi düşer. Emiş hücresi damperlerinin verimlilik tasarrufu emiş kanatlarından daha düşüktür çünkü fan pervanesinden uzaktadır ve akışı ön sarmala tabi tutmakta daha az etkindirler. Diğer taraftan emiş hücresi damperleri, parçacıklı madde içeriğinin yüksek olduğu veya aşındırıcı ortamlarda bir bakım parçası olarak kullanılabilmektedir. Emiş kanatları eksenel fanlardan çok radyal fanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

VFD’ler (Değişken Frekans Sürücüler) Hakkında Daha Fazla Bilgi

Birçok sistem için, VFD’ler fanların geniş çalışma aralıklarında çalışma verimliliğini arttırmak için bir yol sunarlar. Buna ek olarak, VFD’ler hava akış kontrolü için de kolay ve etkin bir metoddur. Aşağıda VFD’leri fan kontrol cihazı olarak seçmenin avantajları ve dezavantajları sıralanmıştır.

Avantajlar

VFD’lerin kullanılması için birincil sebepler içerisinde geliştirilmiş akış kontrolü ve mevcut motorların donanım iyileştirilmesi (tadilatları) vardır. VFD’ler ayrıca kirlenme problemlerinin ve diğer kontrol cihazları için yer gereksiniminin önüne geçerler. VFD’ler enerji kayıplarını toplam sistem akışını azaltarak düşürürler. Fanı yavaşlatarak ve hava akışına aktarılan gereksiz enerjiyi azaltarak; VFD’ler hareketlendirilen hava debisi  başına düşen maliyetlerde hatrı sayılır miktarda tasarruf yapılmasını sağlarlar.  

VFD’ler mekanik bileşenlere bağımlılığı ortadan kaldırırken, özellikle tozlu hava akışının olduğu sistemlerde işletimsel avantaj sağlarlar. Ayrıca VFD’li sistemlerde hava akış sesi çok daha azdır. Hava akımına olması gerekenden fazla aktarılan enerji ilk olarak gürültü şeklinde ortaya çıkar. Fanı yüksek kapasitede çalıştırmak ve hava debisini kısmak genellikle yüksek gürültü seviyelerine sebebiyet verir. VFD’lerin diğer bir sistem faydası soft-start up kabiliyetleridir. Birçok motor, ilk çalışmaya başlama süresinde, normal çalışma akımlarının 5-6 katı yüksek akımla beslenerek çalışmaya başlarlar. Diğer taraftan, VFD’ler motorun daha düşük bir akım ile kalkışına (normal çalışma akımının 1,5 katı) imkan vererek, motor sarımları ve kontrolleri üzerindeki aşınmayı ve elektrik dağıtım sistemi üzerindeki yükün azaltılmasını sağlarlar.

Dezavantajlar

Mühendisler, VFD’lerin avantajları olduğu kadar bazı dezavantajlarının da olduğunu bilmelidirler. Bu dezavantajlar, yüksek yatırım maliyetlerini, düşük akış şartlarını ve rezonansı içerir. İlk olarak göz önünde bulundurulması gereken, VFD’lerin birçok akış kontrol metoduna göre yüksek olan yatırım maliyetleridir. İkinci bir dezavantaj da VFD’lerin düşük akış koşullarındaki performansıdır. Bir fanın, düşük akışlarda sabit direnç derecesinin yüksek olduğu bir sistemde kullanıldığında, hız kontrolü ile kontrol edilen fan, bazı düşük akış koşullarında çalışamayabilir veya çalışsa bile stabil çalışma koşullarına erişemeyebilir.

Ayrıca fanlar, birçok dönen makinada olduğu gibi rezonans problemleri yaşamaya yatkındır. Rezonans, bir komponentin dönme frekansının aynı komponentin doğal frekansıyla çakıştığı bir çalışma şartıdır. Fanların çalışma hızları genellikle rezonans hızlarına yakın olmayan noktalarda tasarlanır. Ancak, fanın dönme hızının yavaşlatılması, rezonans hızına denk gelme olasılığını arttırır. Rezonans hızında çalışılması da fana hasar verebilir.

Fanın dönüş hızıyla fan grubundaki hangi bileşenin rezonansta olduğuna bağlı olarak, titreşimler rahatsız edici gürültüden çok büyük arızalara kadar geniş bir problem yelpazesine sebebiyet verebilir. Şaft, rulman ve şasiler rezonans kaynaklı problemlerin yaşanma ihtimali yüksek olan bileşenlerdir. Rezonans frekanslarının analizleri fanın rezonans frekansında çalışmasının önüne geçilmesi için, fan üreticisi tarafından betlirtilmelidir. Eğer fan rezonans problemlerinin önüne geçilecek şekilde tasarlanamıyor ise, VFD’nin fanın rezonans hızlarında çalışmasını engelleyecek şekilde programlanması gereklidir. Her ne kadar VFD’ler birçok uygulamada enerji tüketimini azaltmak için ilgi çekici bir fırsat olsa da fizilibilite çalışmaları ve sistem analizleri yapılırken yukarıda bahsi geçen konular da göz önünde bulundurulmalıdır.

Ayarlanabilir Kanatlar

Bazı tip aksiyal fanlarda fan kanatlarının açısının ayarlanabilme özelliği vardır. 

Şekil 3. Direnç kontrol cihazlarının radyal fan performansına etkileri 

Şekil 4. Akış profili kontrolünün radyal fan performansına etkisi

Şekil 5. Ayarlanabilir fan kanatlarının eksenel fan performansına etkisi

Ayarlanabilir kanatlar, fan kanatlarının kendi ekseni etrafında dönerek, fana gelen hava akımı ile fan kanadı arasındaki hücum açısını değiştirebilirler. Hücum açısının azaltılması hem hava debisini hem de motor üzerindeki yükü azaltır. Sonuç olarak, ayarlanabilir kanatlar fan verimliliğini geniş bir çalışma aralığında yüksek tutabilir (Şekil 5). Ayarlanabilir fan kanatları çok etkin bir akış kontrol seçeneği olabilir. Ayarlanabilir fan kanatları birçok performans avantajı sunar. Çünkü ayarlanabilir kanatlar fanın çalışma hızını sabit tutacağından, bazı fanlarda ortaya çıkması muhtemel rezonans problemlerinin önüne geçer. Buna ek olarak doğru şekilde seçildiklerinde ayarlanabilir kanatlı fanlar akış olmayan durumdan akış durumuna geçişte, fan motorunun stop etmesi gibi problemleri yaşamazlar. 

Fanın ilk çalışmaya başlamasında (start-up), fan kanatları düşük bir hücum açısına ayarlanarak, fanı sıfır hızından çalışma hızına getirmek için gerekli olan tork değerini düşürülebilir. Eksenel fanlar ile radyal fanların pik verimlilik alanları birbirlerinden farklı bölgelerde oluşurlar. Aksiyal fanlarda pik verimliğe kanatlar kısmen kapalı konumdayken ulaşılır ve bu da demek oluyor ki; nispeten daha düşük verimlilikte test blok koşulları sağlanırken fan seçiminde normal çalışma şartlarında maksimum verimliliğe erişilebilir. Bir radyal fanın pik verimliliği, tasarım hızında akış profili kontrol sistem mekanizması açık pozisyonda iken meydana gelir. Bunun anlamı radyal fanın test bloğu şartlarında maksimum verimliliğe ulaşabilmesi için, ayarlanabilir kanatlı emiş damperi (VIV) veya paralel kanatlı emiş damperlerinin yardımına ihtiyacı vardır (Şekil 6). Bu; ayarlanabilir kanatlı eksenel fanların, akış yönlendirici cihazlı radyal fanlara göre, düşük fan yüklerinde fan verimliliğini daha yüksek seviyede tutabileceğini göstermektedir (Şekil 1). Bu kontrol seçeneğinin dezavantajı, çalışma mekanizması içerisindeki hareketli parçaların çok olması sebebiyle bu parçaların gerektirdiği yüksek bakım maliyetleridir. 

Hız Kontrolü

Hız kontrolü fan akış kontrolleri içerisindeki en verimli olanıdır. Fan dönüş hızını azaltarak, hava akışına daha az enerji transfer edilir. Bu da sistem hava akış kontrol cihazları tarafından daha az enerji israfı anlamına gelmektedir (Şekil 7). Fan hızının kontrolü için başlıca iki cihaz vardır: iki hızlı motorlar ve ayarlanabilir hız sürücüleri (ASD’ler)

Her iki yöntem de fan çıktısını direkt olarak kontrol etse de, çift hızlı motorlar ve ASD’ler farklı uygulamalara hizmet ederler. ASD’ler fan dönüş hızını sürekli bir aralıkta ayarlayabildiğinden, birden fazla hızlı motorlardaki gib bir hızdan diğerine atlama durumu görülmez. ASD’lerin mekanik ve elektronik olmak üzere birçok çeşidi vardır. Mekanik ASD’ler tipik olarak hidrolik kaplinlerdir. Elektronik ASD’ler ise eddy akımı kavramaları, sarımlı rotor-motor kontrolleri ve VFD’lerden oluşur.   

VFD’ler açık ara en popüler ASD’lerdir çünkü enerji maliyetlerindeki etkinlikleri kanıtlanmıştır. VFD’lerin avantaj ve dezavantajları “VFD’ler Hakkında Daha Fazla Bilgi” başlığı altında sıralanmıştır. Çift hızlı motorlar, her motor hızı için ayrı sarımları mevcuttur ve kutup genlik modülasyonu ile iki farklı hızda çalışırlar. Uygulamaya bağlı olarak, ayrı iki hız arasında geçiş yapılması yeterli bir hız kontrol seviyesi sunar. Tek hızlı motorlara göre daha pahalı olmalarına rağmen, çift hızlı motorlar geniş bir fan çıktısı aralığı sağlayarak daha maliyetli olan ASD gereksiniminin önüne geçebilirler. Bu kontrol tipinde, iki birbirinden farklı hız geçişi arasındaki akış kontrolünün sağlanması için emiş kanatları veya paralel kanatlı emiş hücresi damperleri gibi akış kontrol yöntemleri kullanılmalıdır.

Şekil 6. Ayarlanabilir kanatlı eksenel fanlar ile akış profil kontrollü radyal fan arasındaki pik verimlilik bölgesinin farkı.

Şekil 7. Hız kontrolünün fan perdormansı üzerindeki etkisi

Şekil 8. Çift hızlı fan opsiyonu ile çalışmanın radyal fan performansına etkisi 

Sonuç

Şartlar hava akışının değişimini gerektirir ve mühendislerin talep kontrolüne yaklaşabileceği dört ana yöntem yukarıda bahsedildiği şekildedir. Projenin fonksiyonel ve performans gereksinimleri, bütçesi veya diğer gerçek hayat şartları baz alınarak, mühendisler bu makaleyi en iyi kontrol opsiyonunun seçiminde onlara yardımcı olması için kullanabilirler.