Bu yazı, iklim değişikliğini durdurmak için Avrupa ve ABD’nin yürürlüğe koyduğu mevzuat ilgilerindeki değişikliklerine ve bu değişiklilerin hava filtrasyonundaki yeniliklerin daha hassas bir ayrıştırma ihtiyacına paralel olarak enerji verimliliği hedeflerini karşılamada nasıl yönlendirdiğine göz atmaktadır. Yazıda lider konumdaki iki firmadan alınan değişik teknolojiler sunulmuş ve Hollanda’dan sanayi filtrasyonuna ait bir vaka incelemesi de dahil edilmiştir.

Daha İnce Ayrıştırmaya Karşı Enerji Verimliliği

Tüm hava ve gaz filtrasyonu uygulamalarında, akışın filtre içinden geçtiği süreç sırasında yaşanan basınç düşmeleri, bir enerji kaybı olarak kendini gösterir, bu da tüm sistemin tazmin etmesi gereken bir enerji kaybını meydana getirir. Daha fazla basınç düşmesi veya basınç farkı, filtrasyon ve ayrıştırma sisteminde daha fazla enerji ihtiyacını doğurur. Bu husus özellikle büyük çaplı uygulamalar için, örneğin sanayi uygulamalarında toz toplama sistemleri, gaz türbinleri hava girişleri veya işlemlerin egzozları için doğrudur. Bu enerji kaybının ekonomik olarak anlamına ilave olarak, bugün küresel olarak sanayi faaliyetlerinde mümkün olduğunca az enerji kullanılması konusunda giderek artan mevzuat baskıları da bulunmaktadır.  

Filtrasyon konusunda ise enerjinin daha verimli kullanılmasına doğru olan eğilim ileri sanayi süreçlerinin ihtiyacını karşılamak için en önemli itici güç olarak giderek artan derecede bir ayrıştırma temin etmeyi doğrudan karşısına almaktadır. Birbirinin karşısında olan bu talepler kolaylıkla birbiriyle bağdaşacak şekilde gözükmemektedir, zira daha etkin bir ayrıştırma yapan filtreler bu seviyeyi tutabilmek için daha yüksek basınç kayıplarına ihtiyaç göstermektedir.

Buna karşılık son birkaç yıl içinde daha ince ayrıştırma seviyelerinde, içindeki basınç düşümleri daha az olan filtre üretmek için araştırma ve geliştirme alanında birçok faaliyete yatırım yapılmıştır, bu tasarımların birçoğu Hollingsworth&Vose şirketi ve Donaltson tarafından bağımsız olarak geliştirilen ürünleri kullanmaktadır. Bugün artık “enerji tasarrufu” veya “çok düşük akış direnci” gibi ifadeler içeren yeni ürün duyuruları sıklıkla görülmektedir. Takip eden bölümlerde otomotiv ve diğer sanayi havası filtrasyon sanayisinde incelediğimiz ilerlemeler ve yenilikler tarif edilmektedir. 

Araştırma ve geliştirme faaliyetleri sera gazı emisyonlarını azaltarak, iklim değişikliklerinin bazı etkilerini hafifletmek için mevzuatta gelişmiş ülkelerce yürürlüğe koyulan değişikliklerle yönlendirilmektedir. Örneğin Avrupa’da İngiltere hükümeti 2020 yılından önce karbondioksit salımlarını 1990 yılı seviyeleri esas alınarak %26 oranında azaltmayı ve tüm havacılık ve gemi sanayi dahil olmak üzere tüm sera gazı salımlarını 2050 yılından önce %80 oranında azaltmayı yasalarla belirlenmiş bir hedef getirmiştir. Avrupa’nın bu önde gelen ülkesini takiben 2010 yılının ilk yarısında Amerika’da Obama yönetimi ABD’nin petrol tüketimini 2030 yılı sonuna kadar % 35 oranında azaltma ve bunun yanında sera gazları salımında beklenen azaltma hedefini getirdi. Meydana gelen son Deepwater Horizon kazası ve çevreye petrol yayılmasını takiben Meksika körfezinde ortaya çıkan çevre felaketi sonrası Obama yönetimi sahil açıklarında yapılan petrol arama kazıları için erteleme moratoryumu yayınlayacağı sözünü verdi. Petrol sızıntısının etkileri şüphesiz geniş bir alana olacaktır ve ABD’nin petrol tüketimini azaltma hedefi için temposunu hızlandırma yönünde etki yapacak ve enerji azaltma önlemlerini, özellikle otomotiv sanayisinde daha fazla zorlayacaktır.

Bu yeni yasal ve siyasi çerçeveye karşılık olarak taşıt üreticileri yeni güç aktarım teknolojilerinin uygulanmasını hızlandırdılar. Şu anda aktif olarak aerodinamik özellikleri artırmak için araçların dış kısımlarının birçok noktasını yeniden tasarlıyorlar ve sürtünmeyi azaltmak, yakıt ekonomisini artırmak ve enerji verimliğini artırmak için aracın genel olarak tüm ağırlığını azaltıyorlar.

Bu faaliyetlerin her biri sonuçta hava filtrasyonu yapan ortamların performansını artırma, filtre tasarımı ve genel olarak sistem tasarımı talebini yoğunlaştırmaktadır. Filtre elemanı teknolojisi ve filtre elemanı işlemesindeki en son ilerlemelerle yeni tasarım filtrasyon ürünleri sistem tasarımcılarının işletme masraflarını azaltmalarına, performans artımı sağlamalarına ve en yüksek kalite standartlarına uyumlu olmalarına imkan sağlamaktadır. 

Yenilikler

Otomotiv Filtrasyonu

Yukarıda belirtilen yönlendirici hususların sonucu olarak bir filtre elemanı geliştiricisi ve üreticisi olan Hollingsworth&Vose şirketi otomobiller için iki yeni hava giriş ailesi ürünü geliştirmiştir, CapaceonTM elemanı ve NANOWEB® elemanı, bunlar özel olarak daha yüksek birim filtrasyonu kapasitesi ve filtre elemanı üzerinde daha düşük delta basınçlarda (daha düşük basınç kayıplarında) daha yüksek verime olan giderek artan ihtiyaca cevap vermeyi hedeflemiştir. 

Geleneksel otomobil motoru hava giriş filtresi son yıllarda düz yatay dairesel sıralı filtre elemanından “düz” levha şeklinde otomotiv filtresine ve uzun radyal yapıda ticari araç filtresine dönüşmektedir. Yeni ihtiyaçlar ifadesinin genellikle anlamı artık “geleneksel”in yeterli olmadığıdır.

Hollingsworth&Vose Şirketi Küresel Pazar Yönetimi Müdürü Andrew Shephard, yeni güç aktarma teknolojilerinin daha verimli olduklarını ve arabanın ön tarafında daha düşük aerodinamik çizgiler içerdiğini ve daha yüksek yakıt ekonomisi standartlarına cevap vermek için daha büyük soğutma paketleri uygulandığını ve bunun sonucu olarak otomobil üreticilerinin motor bölümünde hava filtresi için daha az yer ayırdıklarını söylemiştir.

Shephard ilave olarak “filtre elemanlarımız imalatçıların filtrasyon sistemlerini bugünün motor bölmelerine veya normal yerler dışında yeni yerlere koymalarına yardım edecek değişik şekillerde ve boyutlarda tasarlamalarına imkan sağlayabilir” demektedir. 

Yeni bir kategoride yüksek performanslı otomobil filtresi olan Capaceon filtre elemanı olarak güncel fiyat seviyesini korumakla beraber esas olan ağırlık ve filtre elemanı arasındaki geleneksel bağlantıyı bozmaktadır.  Hollingsworth &Vose Capaceon filtre elemanlarının hem su hem de solvent esaslı modellerinin % 20-50 arasında daha fazla toz toplama kapasitesinde ve halen pazarda kullanılan elemanlarla karşılaştırıldığında eşit ağırlıkta olan elemanlara nazaran daha geliştirilmiş başlangıç veriminde olduklarını iddia etmektedir. Bu ise daha yüksek derecede motor koruması ve daha uzun süreli servise gitme aralığı sağlayarak müşteri için daha fazla değer yaratmaktadır. İlave suya karşı olan dayanıklılıkla birleştiğinde filtre elemanı daha küçük, daha esnek paketler içinde daha yüksek bir performans sağlamaktadır. Ayrıca araba içinde daha az tercih edilen yerlere yerleştirilebilen hava giriş sistemleri tasarımcılara daha etkin bir tasarım ve geliştirilmiş araç aerodinamik özellikleri sağlayarak aracın ağırlığını azaltmaya yardımcı olmaktadır.

Belirlenmiş olan sera gazı salımı azaltılması şartlarını sağlamak için, yeni araçların fiili olarak emdikleri havanın içinde bulunan daha az parçacık içeren yoğunlukta egzoz gazları salarak, gerçek anlamda çevreyi temizlemeleri gerekmektedir. Normal olarak 60 nm-100 nm aralığı arasında olan kurum parçacıkları araçların hava giriş kısmındaki hava filtrelerinin birçoğunun kullanım ömrünü kısaltır. Orta ve ağır hizmet filtre üreticileri filtrelerinde kullanmak üzere Hollingsworth &Vose NANOWEB filtre elemanlarını seçmektedir, zira gerçek anlamda yapılan testler teknolojinin cihaz korumasını iyileştirdiğini, filtrenin servis aralığını uzattığını ve diğer standart filtre elemanlarına nazaran eleman üzerinde basınç düşmesinin daha az olduğunu göstermiştir. NANOWEB filtre elemanları girişte daha düşük basınç kaybı ve daha yüksek ayırma verimi sağlamaktadır. NANOWEB filtre elemanlarının sağlam 03-0,5μm fiber malzemesi tıkanmaya karşı dikkate değer bir direnç gösterirken kurum gibi çok ince parçacıkları ayırabilmektedir. Bu özellikleri de servis süresini önemli derecede iyileştirmektedir.  Bu şekilde yeni çevre yönetmeliklerine doğrudan uyum sağlamaya katkı yaparak toplam maliyet de azaltılabilmektedir. NANOWEB filtre elemanının taramalı bir elektron mikroskobunda görülen selüloz alt tabaka üstündeki kesiti aşağıda Şekil 1’de görülmektedir.

Birçok araba motordaki yanmayı en iyi duruma getirmek ve yakıt ekonomisi ve emisyon yönetmeliği şartlarını karşılamak için motora giren havayı tespit eden Mass Air Flow (MAS- Kütlesel Hava Akışı) sensör çıkışlarını kullanır. Otomotiv hava sistemleri uygulamaları için Solvent esaslı NANOWEB elemanlar büyük motor deplasmanları (motorun emme hareketi), hafif yük uygulamaları için tasarlanmıştır, bu uygulamalarda filtre elemanına geleneksel uygulama olarak yüksek güç ihtiyaçları için yağ ilave edilmektedir. NANOWEB elemanları doğrudan servis için gerekli süreyi artırarak tasarlanmış ve bu tip filtre uygulamaları için yağ ilave ihtiyacı ortadan kaldırılmıştır. Bu da MAF sensörlerin ve diğer elektronik donanımın tıkanmasını önlemekte ve sonuçta motorun en uygun yakıt ekonomisini ve emisyon performansını korumasını sağlamaktadır. Hollingsworth&Vose şirketi aynı zamanda NANOWEB filtre elemanlarını normal binek ve arazi araçlarının filtrelerine ve bunların yanında daha büyük kapasiteli gaz türbinlerine ve toz toplama sistemlerine de uygulamıştır. 

Sanayi Filtrasyonu

En yaygın kullanılan hava veya gaz filtre şekli ayırıcı bir duvara veya basınç farkı olan bir odaya monte edilen silindirik kartuş veya torba ve düz tip filtrelerdir. Düz panel sistemler ticari ve sanayi uygulamalarında ısıtma, havalandırma ve hava şartlandırma (HVAC) sistemlerinde kullanılmaya yöneliktir.

Torba filtreler genellikle büyük kapasiteli sanayi havasının filtrelenme sisteminde kullanılır. Silindirik kartuş veya torba silindirik bir yuva içine yerleştirilmiştir, bunların bir serisi “baghouse-filtre ünitesi” olarak adlandırılır. Hava akışı torbanın dışından içine doğrudur, öyle ki ayrılmış katı parçacıklar dış kısmında toplanır, buradan da tersine bir itme ile veya basınçlı hava ile üflenerek atılabilir. Yerlerini genellikle örgü olmayan elemanlara bırakmakla beraber örgü kumaş elemanlar terine etki ile karşılaştıklarında esneklik özellikleri nedeniyle hala torba filtrelerde önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle üzerlerinde toplanmış olan toz katmanının torbadan ayrılmasını sağlayıp etkisi azaltılabilir.

Dünyanın önde gelen filtrasyon sistemi ve yedek parçaları sağlayıcılarından biri olan Donaldson, son olarak Synteq XP® olarak tanınan sıkıştırılmış hava filtresi elemanını sundu. Şirket elemanın etkinliği önemli ölçüde arttırdığını ve bunu sağlarken eleman üzerinde çok daha düşük basınç farkı oluşması nedeniyle enerji kullanımını azalttığını, enerji tasarrufunu %40’a kadar yükselttiğini (Şekil 2) öne sürmektedir. Yeni filtre elemanı özel bir fiber karışımı ve bir bağlayıcıya ihtiyaç göstermeyen yeni imalat tekniğini bir araya getirmektedir.

Donaldson son kullanıcıların yıllık enerji masraflarının avro olarak toplamlarından üç-dört hane sileceklerini iddia etmektedir. İlave olarak montaj ve servis işlemleri özel tasarlanan filtre yuvaları sayesinde basitleşmiştir. Bu elemanların üstünlükleri performans verilerinin ISO 12500-1 standardıyla paralel olarak incelenmesiyle teyit edilmektedir ve bu da 1.100 m³/saat’lik bir akış oranında yılda bin 500 avrodan fazla tasarruf yapılabileceğini göstermiştir. Bu değerde filtrenin hatta filtre yuvasının fiyatını çok çok aşmaktadır. 

Bu tasarruf potansiyeli aynı zamanda PowerCore® toz toplama teknolojisiyle de gösterilmiştir. Donaldson bu teknolojinin klasik torba filtre ünitelerine nazaran üstün olduğunu ve işletme masraflarında önemli ölçüde azaltma sağlayabileceğini söylemektedir. Bu yeni teknolojiyi kullanan Donaldson üniteleri klasik toz toplayıcılara nazaran % 70’e ulaşacak kadar küçüktür. Örneğin önceki uygulanan şekliyle 2,40 m uzunlukta 81 adet torba filtreyle donatılan bir toz toplama ünitesi sadece 12 adet PowerCore filtre paketiyle değiştirilebilmiştir. Geleneksel bir toz filtresinin değiştirilmesi on dakika alırken daha az sayıdaki PowerCore filtreleri iki dakikada değiştirilebilmektedir. Filtre paketlerinin değiştirilmesi oldukça temiz bir işlemdir ve servis dostudur. 

Donaldson ağır hizmet araçları için geliştirdiği hava giriş filtreleri tekniğini şirketin toz toplama teknolojisine aktarmayı başarmıştır. PowerCore filtre paketleri ileri filtre imalat tekniklerini patenti alınmış Ultra-Web® nanofiber teknolojisiyle birleştirmiştir. Hava giriş filtresi benzeri şekilde olan filtre elemanı uzun, oyuklu kanallar içine koyularak üzeri kaplanmakta ve bu şekilde oldukça sağlam bir yapı elde edilmektedir. Bu yapı filtre elemanı oyuklarında klasik filtre bezlerine nazaran 540 g/m² yoğunlukta yüklemeye ile daha fazla toz toplanmasını sağlamaktadır. Bu yüksek yüzey filtrasyon performansı şirkete özel patentli darbe ile temizleme teknolojisiyle birleştirilerek performansı artırılmıştır. 
Yıllar boyunca filtrasyon sanayisi düşük enerji maliyetleriyle daha iyi performans gösteren cam yünü filtre elemanının karşısında sentetik bir alternatif aramıştır. Bu uğraşıyı çözmek için Hollingsworth&Vose şirketi çevre dostu, tümüyle sentetik, geniş yüzeyli, oldukça yumuşak malzemeden oluşan NanoWave®’i (Şekil 3) tasarlamış ve geliştirmiştir. 

ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) onaylı HVAC torba filtre elemanları pazarı için geliştirilen malzeme, klasik elemanlara nazaran üç kat daha fazla toz tutma kapasitesine sahiptir.
NanoWave deşarj sonrası cam yünüyle performansı eşit olan veya onu aşan tek sentetik filtre elemanıdır. Elektrostatik şarja dayanan klasik sentetik elemanlardan farklı olarak, NanoWave deşarj durumunda yarı direnç değerinde aynı verime sahip, tüm filtrasyon ömrü sırasında performansı bozulmayan mekanik bir filtredir. Ekstra yüksek verim ve düşük basınç kaybının gerektiği yerlerde NanoWave eleman elektrostatik olarak şarj edilebilir. Verilen bir verim için belirgin derecede düşük basınç kaybı klima santrallerinde düşük enerji tüketimi sağlamaktadır. 

Hollingsworth &Vose şirketinin buluşu olan NanoWave sentetik filtre elemanı filtre imalatı, montaj verimini iyileştirmiştir ve geleneksel sentetik malzemelere nazaran çok daha çevreye saygılı şekilde hurdaya çıkarılmaktadır. Özellikle ASHRAE standartlarını karşılamak için tasarlanan NanoWave filtre elemanı klasik ASHRAE torba imalat ekipmanı, örneğin dikiş ve ultrasonik teçhizat,  kullanılarak tesis ekipmanını değiştirme masrafı olmadan filtreye dönüştürülmektedir. 

NanoWave filtre elemanları filtre üretim işlemi, montaj sırasında ortama fiber saçılması kaygısı olmadan cam gibi düz ve mat yüzeyler ve cam ortam gibi kullanım sağlar.NanoWave elemanın yüksek sertlik özelliği uygun yerlerden torba ağzı oluşturulmasını sağlar ve özellikle değişik HVAC sistemi uygulamalarında şekil özelliğini bozulmadan korur, bu suretle kuruluk süresini azaltır ve verimi artırır. Elemanın tasarımı aynı zamanda atık yakılması işlemine uygundur ve hurdaya çıkarıldığında yapacağı düşük etki çevreye olan baskıları da azaltacaktır. Bu faydalar filtre üretiminden montajına ve nihai değiştirme noktasına kadar ürünün değerini artırmaktadır. 

Vaka incelemesi–Mineral Yünü İzolasyon 

Tarif edilen PowerCore teknolojisi Hollanda Isover’de (Şekil 4) bir mineral yünü üretim fabrikasına uygulandı. Isover boru şeklindeki torba filtrelerini küçük yapıda PowerCore üniteleriyle değiştirdi. 

Toz toplama üniteleri mineral yün izolasyon üretim işleminde kullanılıyorsa dolma ve tıkanma çok sık rastlanan bir problemdir. Fiber malzeme karışma ve birbirleriyle birleşme eğilimi gösterir ve erime derecesine kadar sıcak fırından çıkartıldıklarında birbirlerine yapışabilirler.

Isover fabrikası Proje Müdürü René van Grup “Üretim hattının kesme ve istifleme istasyonu çalışma sınırına geldiğinde yeni bir torba filtre toz toplayıcı koymak istedik.” 

Isover yeni PowerCore teknolojisini Avrupa pazarına yapılan resmi tanıtımdan önce test etmeyi kabul etti. René van Grup yapılan testi şu şekilde ifade ediyor: “400 saatlik test sırasında filtre tek bir defa bile tıkanmadı ve dolmadı ve basınç düşmesi 25 pascal’da sabitlendi ve filtre odasının temiz hava tarafının temizliğinden çok etkilendik.”

Altı aylık bir işletmeden sonra Isover’deki mühendisler sonuçtan memnundur. René van Grup’un açıklamasına göre: “Basınç düşmesinde belirgin bir düşme olmadı bu nedenle filtre paketlerini beklenen bir yıllık beklenen çalışma ömürlerinin üzerine çıkacağını zannediyorum. Bir defa bile üretim hattında tıkanan filtre nedeniyle üretimi durdurmak zorunda kalmadık.”

PowerCore üniteleri gelen toz yüklü hava ve filtre paketine yönelen hızları kontrol etmek, filtre paketleri arasında birbirine yapışma problemini önlemek için bilgisayarla modellenen akışkan akışı analiz ile tasarlanmaktadır. Birbirine hemen hemen yapışan sıcak cam yünlerinin topak oluşturması bu surette etkin bir şekilde önlenmektedir. Küçük Yapıda, Eğik, Darbe ile Temizleme Sistemi tüm filtre elemanı paketini kapsamakta ve tozu üzeri oyuklu kanallardan dışarı atmaktadır. Bu nedenle birbirine yapışma ve dolma başarı ile önlenmektedir.

Sonuç

Filtrasyon teknolojisindeki en son gelişmelerin bazıları filtre tasarımı ve filtre elemanı teknolojisindeki iklim değişikliği ve artan sera gazları salımına karşılık veren mevzuat ile yönlendirilen yeni gelişmelere dayanmaktadır. Yeni filtrasyon ürünleri şimdi filtrasyon sistemi tasarımcılarını ve tesis yöneticilerini işletme masraflarını azaltmaya ve enerji maliyetlerinden yapılacak tasarrufları realize etmeye çalışırken performans artışı elde etmek için en yüksek kalite standartlarına ulaşmalarına da imkan sağlamaktadır. Otomotiv ve diğer sanayi uygulamaları dahil sanayi uygulamaları için hava filtrasyon teknolojilerindeki çeşitli ilerlemeleri inceledik, Capaceon, NANOWEB, NanoWave, Synteq XP, PowerCore ve Ultra-Web teknolojilerini özetledik. Basınç farkı seviyelerinin artan filtrasyon etkinliği isteneceğinden önümüzdeki yıllarda daha da aşağı çekileceği kuvvetle muhtemeldir, çevre ile ilgili daha fazlalaşan talepleri karşılama yönünde baskılar büyümekte ve nano teknolojideki ilave gelişmeler gibi yeni buluşlar pazara getirilmektedir.

Yazan: Anthony BENNETT

Kaynak: Filtration+Seperation / Temmuz-Ağustos, 2010