Isı borusu tabanlı bir atık ısı geri kazanım uygulaması

Abstract

Enerji iş yapabilme kapasitesidir. Yaşamımızın vazgeçilmez bir parçasıdır. Hayati önem taşıyan bu kavram ne yazık ki sınırsız değildir. Artan dünya nüfusu, ülkelerin ekonomik ve siyasi politikaları ve sanayileşme enerji kaynaklarının yavaş yavaş tükenme noktasına gelmesine neden olmuştur. Bu azalma enerjinin nasıl verimli kullanılabileceğini sorgulatmıştır. Atık Isı Geri Kazanımı (Waste Heat Recovery - WHR), çeşitli endüstriyel süreçlerden veya ısı üretilen ancak etkili bir şekilde kullanılmayan diğer kaynaklardan ortaya çıkan ısıyı yakalama ve kullanma sürecidir. Atık ısı geri kazanımının amacı, bu başka türlü boşa giden ısıl enerjiyi elektrik, buhar veya sıcak su gibi kullanışlı formlara dönüştürmektir. Böylece, endüstriler enerji verimliliğini artırabilir, enerji maliyetlerini azaltabilir ve çevresel etkilerini en aza indirebilir. Atık ısı geri kazanım sistemleri genellikle ısı değiştiricilerin kullanımını içerir. Bu, yakalanan ısıyı çeşitli uygulamalar için kullanılabilecek bir çalışma akışkanına transfer eder. Atık ısı kaynakları arasında endüstriyel süreçlerden gelen egzoz gazları, güç üretiminde motor egzozları ve imalat süreçlerinde oluşan ısı yer almaktadır. Kazan ve fırınların yanma odası besleme havasının ısıtılmasında kullanılan reküparatörler, sıcaklık farkı altında gerilim indükleyen yarı iletken bazlı termoelektrik jeneratörler, düşük entalpi bölgesindeki düşük kaynama noktaya sahip sıvıların kullanıldığı organik Rankine çevrimi içeren güç santralleri, soğutma çevrimi içeren absorpsiyonlu soğutucular ve genel olarak yüksek verimli ısı pompaları, atık ısı geri kazanım teknolojilerinin kullanıldığı sistemlere örnek olarak verilebilir. Isı boruları, ısıyı bir yerden başka bir yere transfer etmek için faz değişimi prensiplerine dayanan yüksek verimli ısı transfer cihazlarıdır. Bir ısı borusu genellikle bir çalışma akışkanını içeren vakum altında kapatılmış bir tüp veya konteynerden oluşur. Isı borusu, çalışma akışkanının sıvı fazdan buhar fazına ve geri dönmesi esasına dayanır. Sırasıyla, ısı kaynağından gelen ısının, ısı borusunun buharlaştırıcı bölümünde çalışma akışkanının buharlaşması, buharlaşan sıvının, ısı borusunun daha serin ucuna ilerleyerek ısıl enerjinin ısı kaynağından uzaklaştırılması, soğutucu bölümde buharın, ısısını bırakıp sıvıya dönüşmesi ve kılcallık etkisi ile sıvının buharlaştırıcıya geri göndermesi süreçlerini içerir. Bu döngünün tekrar edildiği ısı boruları, sıcaklık düşüşünü minimumda tutarak uzun mesafelerde ısı transfer etme yetenekleri nedeniyle, elektronik soğutma, uzay aracı termal kontrolü ve endüstriyel atık ısı geri kazanım sistemleri gibi uygulamalarda verimli bir şekilde kullanılır. Uygulamalarda ısı borusu performansının daha da iyileştirilmesi amacıyla iç yapısında malzeme ve tasarım bağlı çalışmalar gerek sayısal gerekse deneysel olarak yürütülmeye devam etmektedir. Özellikle atık ısı geri kazanım uygulamalarında etkinlik değeri yüksek ısı değiştiricileri kilit rol üstlenmektedir. Bu noktada oldukça yüksek ısıl iletkenlikleri, harici enerji kaynağına ihtiyaç duymayan pasif çalışma koşulları, yüzey boyunca neredeyse sabit sıcaklık profili, hafif ve kompakt oluşları, uzun ömürleri, kriyojenik bölge ile yüzlerce dereceye ulaşabilen yüksek sıcaklık bölgesi arasında geniş çalışma aralığı, düşük maliyetli ve çevreye duyarlı olması gibi birçok avantajı nedeniyle ısı boruları, ısı değiştiricisi teknolojilerinde geleceğinde önemli bir yere sahip olacaktır. Bu çalışmada, çelik endüstrisinde kullanılan tavlama fırınlarının bacalarından çıkan atık ısıdan sıcak su eldesi için klasikleşmiş yöntemlerden çok daha hızlı bir şekilde ısı ve enerjiyi başka bir yere taşıyabilen ısı borularının kullanıldığı bir ısı değiştirici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Söz konusu fabrikada bulunan tünel tipi tavlama fırınının baca gazındaki atık ısı tasarımı yapılan ısı değiştiricisi ile üretimin son aşaması olan yıkama tünelinde kullanılacak suyun istenilen sıcaklık değerine kadar ısıtılması planlanmaktadır. Bu aşamada yıkama tünelinde kullanılan sıcak su kazanlarındaki suyun ısıtılması için söz konusu yüksek sıcaklıktaki atık gaz ile düşük sıcaklıktaki su hattı arasında tasarımı yapılacak ısı borulu eşanjörün tasarım parametreleri ele alınmıştır. İlk aşamada tekil bir ısı borusunun literatürde yer alan modeller yardımıyla toplam ısıl direnç değeri hesaplanmıştır. Isı borusunun evaporatör ve kondenser bölümlerinin dış akış ve iç akış kısımlarında taşınım malzeme boyunca iletimle olan ısı transferi ile ısı borusu içindeki gerçekleşen faz geçişi göz önüne alınarak toplamda yedi adet ısıl direnç devresi kurularak toplam ısıl direnç belirlenmiştir. İkinci aşamada ise yıkama suyu sıcaklığı talebi ve baca gazı sıcaklığı bilgilerinden hareketle ısı değiştiricisinde kullanılacak gerekli ısı borusu sayısı ve konfigürasyonu belirlenmiştir. Bu bağlamda literatürde sıklıkla kullanılan ortalama logaritmik sıcaklık farkı (LMTD) ve ısı etkinlik – transfer birim sayısı (-NTU) adlı iki farklı yaklaşım ele alınarak konvansiyonel olmayan bu ısı değiştiricine ait tasarım parametreleri hesaplanmıştır. Çıkış sıcaklık değerleri belirli olmadığından öncelikle belli kabuller altında -NTU metodu ile ısı akısı ve çıkış sıcaklıkları belirlenmiş sonrasında ise LMTD yönteminde hesaplana ısı akısı değerine yaklaştıran ortalama düzeltme faktörü elde edilmiştir. Modellerde yapılan kabullerin, tasarım aşamasına etkisi ayrıca incelenmiştir. Son bölümde ise bu tasarım için analitik modeller yardımıyla ısıl performansa etkiyen faktörlerin parametrik analizi yapılmıştır. Atık baca gazına ait kütlesel debi değerinin ısı değiştiricisi etkinliğine etkisi incelenmiştir. Ek olarak daha düşük atık hava sıcaklıklarının yıkama suyu çıkış sıcaklığı değerine etkisi tartışılarak farklı tasarım parametreleri için ilgili değer aralıkları saptanmıştır. Bu tez çalışması, atık ısı geri kazanımının endüstriyel üretim sektöründe ısıl talebin beraberinde getirdiği maliyetlerin azaltılması, çevreye daha duyarlı bir üretimin sağlanması, kaynak tasarrufunun arttırılması gibi yararların daha geniş bir ölçekte yayılmasına katkı sağlayacak sistemlerin ana bileşeni olan ısı değiştiricilerinde konvansiyonel türlere alternatif olarak ısı borularının kullanılmasının önemini vurgulamaktadır. Gelecek çalışmalar kapsamında ise ısı borusu tabanlı ısı değiştiricisinin sayısal model ile deneysel yapılacak prototip çalışmaları ise uygulamanın hayata geçirilmesi hedeflenmektedir.