Jet puls filtre (JPF) un, irmik, makarna, tohum, yem, bulgur, tahıl ve bakliyat sektöründe kullanılan en temel ekipmandır. Toz ve granül hammaddelerin kullanıldığı ya da üretildiği tüm tesislerde toz toplama ve toz ayırma işlemi JPF ile yapılır. Şekil 1’de örnek bir JPF sistemine ait prensip şeması verilmiştir. Değirmenlerde taşıma, temizleme, öğütme, eleme, tasnif etme, çuvallama gibi tüm süreçlerde JPF sistemleri yer almaktadır. Bu sistemlerde yaşanan problemler üretim prosesine doğrudan etki etmektedir. Mevcut JPF sistemlerinde, JPF aksaklıklarını kolay algılayabilecek bir çözüm bulunmamaktadır. Ancak yeni geliştirilen yüksek teknoloji ekipmanları ve yapay zekâ tabanlı zeki kontrol algoritmaları sayesinde var olan birçok problem kolayca belirlenebilir hale gelmiştir. Bu çalışmada, JPF sistemlerinde var olan problemler listelenmiş, bu sorunları gidermek, üretim değerlerini iyileştirmek, ürün kalitesini artırmak, enerji tüketimini azaltmak amacıyla geliştirilen yeni nesil yapay zekâ tabanlı Jetmaster jet filtre proses kontrol cihazının üretim sürecine katkıları açıklanmıştır.

2. Jet Filtrelerin Ürün Kalitesi Üzerine Etkileri

Değirmen sektörü için JPF’ler en önemli ekipmanların başında gelmelerine rağmen günümüz değirmenciliğinde diğer makinalara göre arka planda kalmışlardır. Ancak öğütme tonajı, kül oranı ve randıman değerlerinin sağlanabilmesi için bu filtrelerin sorunsuz çalışıyor olması gerekmektedir. Değirmen ilk devreye alındığında, jet filtreler tam kapasite çalışırken, ilerleyen süreçle bu filtrelerde oluşan aksaklıklar, öncelikle sebebi anlaşılamayan geçici kül dalgalanmaları ile ortaya çıkar. İlerleyen süreçte normal üretim tonajında istenilen randımanın elde edilemez hale gelir. Bu durum üretim tonajı ya da randımanda oluşan azalmayla neticelenir. Aynı süreçte birim enerji tüketimi de artmaktadır. Un ve irmik değirmenlerinde yapılan bilimsel çalışmalarda, jet filtrelerin yaklaşık  %15’nin hiç iş yapmadığı, %85’inin de mevcut performansının çok daha altında kullanılabildiğini göstermektedir. Normal performans değerinde çalışan filtre oranı %15 civarındadır. Bu denli yüksek bir performans kaybına rağmen, filtre alanlarının ihtiyacın çok üzerinde seçilmesi sebebiyle sorunlar aynı oranda üretime yansımaz. Üstelik bu performans kayıpları, enerji tüketimi artışıyla biraz daha tolore edilebilir hale gelir. Neticede aksaklığın tespiti bir miktar daha zorlaşmış olur.

3. Mevcut Problemler

Halen 1979 yılında Bühler tarafından geliştirilen jet filtre sistemi yaygın olarak kullanılmakta olup, işletmelerde bu sistemin çalışma mantığına tam olarak hâkim personel nadiren bulunmaktadır. Jet filtre ekipmanlarının sökülüp takılması uzun zaman almakta ve arıza tespitini zorlaştırmaktadır. Yapılan araştırmalarda jet filtrelerin ancak %15’inin normal performansında çalıştığı, filtre torbası temizleme sistemlerinin ise ancak %40’nin tam performansta çalıştığı, %20’nin ise hiç çalışmadığı görülmektedir. Filtrelerde yaşanan problemler her zaman üretime yansımaktadır. Oluşan tüm arızaların insan gözüyle değil elektronik olarak tespit edilmesi zaruri bir ihtiyaçtır.

3.1. Jet Filtreler Sebebiyle Üretim Prosesinde Yaşanan Problemler

Un üretiminde pnömatik tarafından sabit değerde bir emiş sağlanması gerekmektedir. Bu sayede hava hızı ve pasajlara giden yük miktarı planlanan değerlerde gerçekleşerek, en yüksek tonajda en yüksek randıman elde edilebilir. Normalde pnömatik tarafından 100mbar civarında bir emiş sağlanır. Temiz filtre torbaları ilk takıldığında 2mbar civarında bir basınç düşümü oluşur ve üretime 98mbar civarında bir emiş aktarılır. Ancak zamanla filtre torbaları dolmaya başlar ve basınç düşümü 25mbar düzeylerine kadar ulaşır. Bu durumda üretime aktarılabilen emiş %75 oranında güç kaybederek 75mbar değerine kadar düşmüş olur. Bu azalma tonaj düşümüne sebep olur. Aynı tonajda ısrar edilirse bu durumda kül değeri artacak, randıman ise düşecektir. Alternatif çözüm olarak fan devrinin sürücüyle belirli bir oranda artırıldığı görülmektedir. Bu durumda debi aynı oranda artarak problem giderilebilir ancak enerji tüketimi debideki artışın küpü kadar artacak ve enerji tüketimi çok yüksek değerlere ulaşacaktır. Bu sorun ancak jet filtre torbalarında oluşan basınç kaybının yaklaşık 10mbar civarında sabit değerde tutulmasıyla çözülebilir.

3.2. JPF Enerji Tüketimleri

JPF’ler, değirmende, vals motorları ve pnömatik fanlardan sonra en fazla enerji harcayan ekipmanlardır. Bu enerji, filtre torbalarını temizlemek için kullanılacak basınçlı havanın üretilmesi esnasında sarf edilmektedir. Basınçlı hava üretimi için gereken güç Formül (1) ile hesaplanır.

Burada; P gücü (W), μ sistemin verimini (izotermik), p1 emilen havanın mutlak basıncını (bar), v emilen havanın debisini (m3/h), p2 blowerden çıkan havanın mutlak basıncını (bar), göstermektedir. Formül (1),  basınçlı hava üretimi için gereken gücün, debi ve basınca bağlı olduğunu göstermektedir. Sabit tonajda çalışabilmek için ihtiyaç duyulan debini sabit olarak üretilmesi, basıncın ise mümkün olan en düşük değerde tutulması gerekmektedir. Şekil 2’de basınçlı hava üretimin kullanılan bir blower ait basınç ve güç eğrisi verilmiştir. Şekilde görüleceği üzere üretilen debinin yaklaşık sabit kaldığı düşünüldüğünde, enerji tüketiminin basınçla aynı şekilde hareket ettiği görülmektedir. Bu grafik kullanılan basıncın enerji tüketimi üzerinde ne denli etkili olduğunu göstermektedir. Basınçlı hava üretiminde var olan günümüz enerji tasarruf yöntemleri, basınç değerini her zaman kullanım değerinde sabit tutarak, debiyi ihtiyaca göre artırıp azaltma mantığındadır. Bu durumda sadece debi kontrol edilebilmekte, basınç değerine müdahale edilememektedir. Şekil 2’deki grafikten jet filtre torbalarının temizlenmesinde kullanılan basınçlı havanın, hem üretim hem tüketiminin senkronize edilerek, günümüz bilinen enerji tasarruf yönteminden daha başarılı bir algoritma kullanılabileceği, sadece debiyi kontrol etmek yerine hem debi hem de basıncın kontrol edilmesini mümkün olduğu görülmektedir. Bu kontrol yapay zekâ tabanlı gelişmiş bir proses kontrol cihazı ile yapılabilmektedir.

 3.3. Fitre Beyni

Sektörde ‘filtre beyni’ olarak adlandırılan ve JPFtorba temizleme sürecini kontrol eden cihazların çalışma mantığı halen 1979 yılında Bühler tarafından ilk geliştirildiği haliyle kalmıştır. Aradan geçen 40 yıldan uzun süreye rağmen jet filtreler zaman ayarlı olarak kontrol edilmektedir. Burada iki parametre kullanılmaktadır. Birisi torbalara ne kadar sürede bir üfleme yapılacağını diğeri ise her bir üflemenin ne kadar süreceğini belirler. Bu kontrol yöntemi tamamen çağ dışı bir yöntemdir. Başlangıçta basınç tam 0.5 bar değerinde üfleme yapılsa bile, zaman içerisinde üretim şartları gereği, blower filtrelerinin tozlanması, nem ve sıcaklık gibi değerler sebebiyle normal sürede bu değer yakalanamaz. Bu sebeple süre olması gerekenden daha uzun olarak ayarlanır. Bu durumda basınç 0.5 bar olduktan hemen sonra hemen üfleme yapılamaz, hava üretilmeye devam edilir. Ancak üretilen bu hava, tank basıncını 0.5 bar’da sabit tutmak için bir emniyet tahliye valfinden dışarı atılır. Bu durumda hiç kullanılmayacak bir hava en fazla güç tüketilerek üretilmiş ve dışarıya atılmış olur. Mevcut zaman ayarlı kontrol cihazları oldukça ilkel bir yönteme olup, mevcut sistemlerde var olan verimsizliğin en büyük sebebidir. Bu cihazlar kullanılması halinde gerçekleşecek blower enerji tüketimi Şekil 4’te verilmiştir. 

Şekil 3. Klasik Zaman Ayarlı Filtre Beyinleri Kullanıldığında Enerji Tüketimi

Zaman referanslı çalışan bu cihazların yerine yapay zekâ tabanlı, basınç ve fark basınç kombinasyonlarına sahip algoritmaları bulunan yapay zekâ teknolojili çok daha gelişmiş cihazlar kullanılmalıdır. Bu cihazlar ile basınç tam 0.5 bar değerine ulaştığı anda üfleme yapılabilir. Bu sayede verimsizlik tamamen ortadan kalkar. Ayrıca basınç ihtiyaca göre istenilen değere de set edilebilir. Yapay zekâ cihazlar ile gerçekleşecek blower enerji tüketimi Şekil 4’te verilmiştir. 

3.4. Bir Blower İle Birden  Fazla Filtre Temizlenmesi 

Bir blower ile birden fazla filtrenin temizlendiği tesislerde, her filtrenin beyni farklı zamanlarda üfleme yapmaktadır. Bu durumda filtre tankları paralel bağlı basınçlı kaplar halini alır ve bazı filtre torbalarına Şekil 5’teki gibi daha düşük basınçta hava üflenir. Bu olay arka arkaya tekrarlanırsa, filtre torbalarında kalıcı kek tabası oluşur ve torbalar geçirgenliklerini kaybeder. Bu problem hem aspirasyonu düşürür, hem de torbalara hava üflendiğinde torbaların patlamasına sebep olur. Un üretim kapasitesi ve randıman düşer, kül değerinde dalgalanmalar oluşur.

Şekil 4. Yapay Zekâ Filtre Beyinleri Kullanıldığında Enerji Tüketimi

Genelde bu sorunu giderebilmek yani basıncı sürekli 400-500mbar arasında tutabilmek için normalden yaklaşık 2 - 3 kat daha büyük kapasitede bir blower kullanılır. Bu durumda basınç Şekil 6’daki gibi sürekli 400-500mbar aralığında gerçekleşir. Böylece üfleme basıncının yeterince yüksek olması sağlanır. Ancak ortalama basınç değeri de neredeyse üfleme basıncı değerine yani 500mbar civarına yaklaşır. Bu durumda enerji tüketimi 3 ile 5 kat arasında artar. Normalde 650C civarında olması gereken blower gövde sıcaklıkları 1000C hatta daha yüksek sıcaklıklara çıkar. Bu yüksek sıcaklık blower ömrünü azaltır, mekanik aşınmaları artırır, filtreden geri kazanılan ürünü bozar. 

Yapay zekâya sahip JETMASTER Senkron serisi cihazlar ile basınç tam 500mbar’a ulaştığı anda, tüm filtrelere aynı anda üfleme yapılır. Tam ayarlanan basınç değerinde üfleme yapılarak filtre torbalarının çok iyi temizlenmesi sağlanır. Üfleme sonrasında tank tam boşaltılarak, basıncın Şekil 7’deki gibi 0-50mbar değerlerine geri inmesi sağlanır. Böylece ortalama basınç değeri 250-300mbar civarına düşürülmüş olur. Ortalama basınç değeri, enerji tüketimini logaritmik, çalışma sıcaklığını ise üstel olarak etkiler. Bu sayede, enerji tüketimi ve ısınma %85 civarında azaltılır. Kapasite %10 civarında artar, kül değeri yaklaşık 5 puan düşer. Aynı iş %40 düşük kapasiteli bir blower tarafından yapılabilir hale gelir. Filtre torbası patlakları önlenir.

Şekil 6. Artırılmış Kapasitede Blower Kullanılması Halinde Enerji Tüketimi ve Temizleme Basınçları

3.5. JPF Arızaları

Blower ava üretecinde oluşan arıza ve aksaklıklar, ısınma, aşınma ve sürtünmeden kaynaklanmaktadır. Bu olumsuzlukları azaltmak için üreteç içerisinde yağ bulunmaktadır. Bu yağın belirli periyotlarla değiştirilmesi gerekmektedir. Yağ ömrünü etkileyen en önemli faktör ise, havanın sıkıştırılması sebebiyle oluşan izotermik ısınmadır. Basınçlı hava üretecinin sıcaklığı:

formülüyle hesaplanır. Burada; T_2 çıkış havası mutlak sıcaklığı (K), T_1 giriş havası mutlak sıcaklığı (K), p1 emilen havanın mutlak basıncı (bar), p2 blowerden çıkan havanın mutlak basıncı (bar) ve k spesifik hava oranı olup değeri yaklaşık 1.4 tür.  Formül (2), blowerde oluşan ısınmanın, aynı ortam için sadece basıncına bağlı olduğunu göstermektedir. Hava üreteci içinde kullanılan yağın dayanımını göstere eğri Şekil 3’te verilmiştir.

Şekil 7. Normal Blowerin Yapay Zekâ Cihazla Kullanılması Halinde Enerji Tüketimi ve Temizleme Basınçları

3.6. JPF Aksaklıkları

JPF, tespit ve teşhisi zor çok fazla aksaklık yaşanmasına sebep olacak yapıdadır. Bu aksaklıklar bazıları aşağıda listelenmiştir. Selenoid valfli modellerler valf bobinleri sıkça yanmaktadır. Diyaframlı modellerde diyafram bayatlaması nedeniyle üfleme performansı düşer. Tek diyaframlı modellerde diyafram patlayınca tank basıncı yükselmez. Çift diyaframlı modellerde, küçük diyafram patlayınca tank basıncı yükselmez, büyük diyafram patlayınca tank basıncı yükselir ancak torbalara basınçlı hava üflenemez. Torbaların ne oranda kirli olduğu anlaşılamaz. Torbalar temiz görünse bile geçirgenlikleri nem yüzünden düşer. Dışarıya toz atıldığı görülünceye kadar torba yırtığı tespit edilemez. Dışarıya toz atıldığı görülünceye kadar torbalardan birinin düştüğü tespit edilemez. Torba değiştirmenin zamanı doğru olarak tespit edilemez. Filtre torbalarına hep aynı basınçta üfleme yapılması sağlanamaz. Pnömatik ekipmanlarda oluşan sorunlar yüzünden, bazı torbalara üfleme yapılamamasına rağmen bu aksaklık tespit edilemez. Blower filtrelerinin tıkandığı tespit edilemez. Filtre tankında oluşan hava kaçakları tespit edilemez. Tankın dolma süresindeki gecikmeler tespit edilemez. Oluşan arızanın hangi filtre torbası grubunda oluştuğu tespit edilemez.

3.7. JPF Tipi Seçimi 

Filtre torbalarının temizlenmesinde kullanılan havanın basıncına göre 6 bar hava kullananlar yüksek basınçlı, 0.5 bar hava kullananlar düşük basınçlı jet filtre olarak adlandırılır. 6 bar hava kompresör, 0.5 bar hava ise blower kullanılarak elde edilir. Yüksek basınçlı (patlaç) filtre yatırımı daha ucuz olsa da, birim basınçlı hava maliyetleri açısından bakıldığında kompresör kullanmak 2 kat daha pahalıya gelmektedir. Bu sebeple işletme maliyeti açısından blower kullanan alçak basınç jet filtreler tercih edilmelidir.

3.8. Aspiratör Fanının Jet Filtreden Önce Ya Da Sonra Kullanılması

Aspiratör fanları jet filtreden önce ya da sonra kullanılabilmektedir. Şekil 1’de fan filtreden önce kullanılmış ve filtreye basınç yapmaktadır. Fanın filtreye hava bastığı sistemlerde, havanın içerisindeki toz parçacıkları fan kanatçıklarına çarpmakta, bu kanatçıkları aşındırmakta, sıcaklık ve nem sebebiyle kanatçıklara toz yapışarak balans problemine sebep olmaktadır. Balanslı çalışan fanların rulmanları kısa sürede dağılarak arıza duruşlarına sebep olmaktadır. Ayrıca fan çıkışında oluşan yüksek hava hızı sebebiyle toz parçacıkları torbalara çok daha hızlı çarparak torbaların daha hızlı aşınmasına ve patlamasına neden olmaktadır. Artan filtre ortamı basıncı sebebiyle hava yoğunluğu artmakta, toz parçacıklarının havada asılı kalması kolaylaşarak siklon etkisiyle toz ve havanın ayrışması zorlaşmaktadır. Tüm yük filtre torbalarına kalmaktadır. Ayrıca filtre içerisinde pozitif bir basınç olması sebebiyle filtrede oluşacak en ufak deliklerden değirmene toz çıkarak temizliği olumsuz şekilde etkileyecektir.  

Şekil 8. Çalışma Sıcaklığına Göre Yağ Ömrünün Değişimi

Fanın filtreden sonra kullanılması durumunda ise toz filtrede tutulacağı için fana ulaşamayacak ve daha sorunsuz bir fan çalışması elde edilecektir. Ayrıca filtre içerisinde emiş yani vakum oluşacağından, jet filtre ortamında hava yoğunluğu azalacağından tozların havada kalmaları zorlaşacaktır. Böylece yerçekimi etkisiyle toz ve havanın ayrışması büyük ölçüde filtre koniğinde gerçekleşecek ve filtre torbalarının üzerine daha az toz yükü düşecektir. Üstelik filtrelerde bir delik oluşursa, buradan dışarıya tozlu hava çıkmayacak aksine içeriye temiz hava emilecektir. Böylece ortam toz olmayacaktır. Ancak fanın filtreden sonra konulması halinde enerji ihtiyacı %2 civarında artacaktır. Günümüz modern üretim yaklaşımı fanın filtrelere basınç yapması değil, filtrelerden emiş yapması yönündedir.

4. Jetmaster: Yapay Zekâ Tabanlı Yeni Bir Filtre Beyni Örneği

Gelişen teknoloji ile birlikte yapay zekâ kullanımı birçok alanda endüstriyel kullanıma girmiştir. Bu kullanımlara bir örnek de Jetmaster Teknoloji San (www.jetmaster.com.tr) firması tarafından geliştirilen jet filtre proses kontrol cihazıdır. Yapay zekâya sahip gelişmiş kontrol algoritmalarına sahip bu cihaz donanımsal olarak da basınç ve fark basınç sensörleri ile takviye edilmektedir. Cihazın sahip olduğu çalışma yöntemi Şekil 9’da verilmiştir. Cihaz, sahip olduğu bu teknoloji sayesinde, jet filtrelerle ilgili olarak yukarıda bahsedilen tüm problemlere çözüm sunmaktadır. Cihazın kullanıldığı tesislerden elde edilen verilere göre elde edilen kazanımlar aşağıdaki gibidir.

Şekil 9. Hava Üretimi ve Hava Tüketimi Açısından Klasik Cihazlar İle Yapay Zekâ Cihazların Çalışma Yöntemlerinin Karşılaştırılması[1]

Üretim tonajı %5 civarında artarak tesisin devreye alındığı değerde sabit kalmaktadır. Üretim randımanı %1 civarında artarak maksimum değerine ulaşmaktadır. Kül değeri %0.05 civarında azalmaktadır. Blower enerji tüketimi % 45 civarında azalmaktadır. Blower üretim debisi %20 civarında artmaktadır. Blower yağı sıcaklığı 30C civarında azalmaktadır. Blower yağı değişim periyodu yaklaşık 8 kat artmaktadır. Blower mekanik aşınmaları yaklaşık %70 oranında azaltır. Blower kaynaklı atık yağ üretimi %85 oranında azalmaktadır. Blower sesinden kaynaklanan gürültü seviyesi 5dB civarında azalmaktadır. Blower emiş filtresi tıkanıkları ve blower arızalarını tespit edilir. Filtre torbası kirlilik düzeyi tespit edilir. Filtre torbası patlağı tespit edilir. Düşen filtre torbaları tespit edilir. Filtre torbası ömürleri uzamaktadır. Filtre torbası patlakları azalmaktadır. Sabit debide, homojen ve dengeli aspirasyon sağlanmaktadır. Blower arızaları ve bakım ihtiyacı azalmaktadır. Aynı işi yapabilmek için çok daha küçük kapasitede bir blower yeterli olmaktadır. Blower yatırım maliyeti azalmaktadır. Blower mekanik aşınmaları yaklaşık %72 oranında azaltır. Temizlenemeyen filtre torbası gruplarını ve aksaklıkları tespit edilir. Diyafram yırtıkları tespit edilir. Verilen değerler cihazın kullanıldığı tesislerden alınan verilerin ortalamasıdır. Elde edilecek iyileşmeler var olan verimsizlik değerine göre değişecektir.  

Kaynaklar:

[1] Çankaya, N., & Özcan, M. (2019). Performance optimization and improvement of dust laden air by dynamic control method for jet pulsed filters. Advanced Powder Technology, 30(7), 1366-1377.