SANAYİDE ENERJİ EKONOMİSİ - Deneme Sınavı - 5

Isı boruları, şekilde gösterildiği gibi bir ucundan atık ısının geçmesiyle çalışmaya başlamaktadır. Ardından soğutucu akışkanı atık ısının enerjisi ile buharlaşmakta ve buhar termodinamik yasaları gereği borunun soğuk bölgesine doğru hareket etmektedir. Borunun soğuk bölgesi havanın ısıtılması amacıyla kullanılan bölümdür. Bu bölümde verilen soğuk hava ısıtılarak değişik amaçlar için kullanılmaktadır.

Reküperatif sistemlerde ısı transferi, dış hava ile atık hava arasında olur. Sistem tek bir cihaz üzerinde toplanmıştır. Atık gazın sıcaklığı çiğ noktasının altına inerse gizli ısının transferi mümkün olmaktadır. Malzeme seçiminde mukavemet, ısı transfer katsayısı ve korozyona dikkat edilmelidir.

Diyagramda dikey eksende 1100 K noktası işaretlenip diyagram içinde bulunan 600 K hava sıcaklığı eğrisine kesiştirildiğinde yatay eksende %15 noktasına ulaşılmaktadır.

Isı pompaları ısıtma veya soğutma amacıyla kullanılabilir. Isı pompaları birçok endüstride düşük kalitedeki atık ısının değerlendirilmesinde kullanılmaktadır. Atık su, arıtılmış veya arıtılmamış kanalizasyon suyu, endüstriyel proseslerde atılan soğutma suyu, endüstriyel sıvı atıkları ve baca gazı ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Katı atıklar ise kullanılmamaktadır.

Reküperatörler ısı geçiş şekline göre sekiz tipte sınışandırılmaktadır. Bunlar: ısı taşınımlı reküperatörler, seramik malzemeli reküperatörler, dökme demir malzemeli reküperatörler, çelik borulu reküperatörler, ısı ışınımlı reküperatörler, iki kılışı reküperatörler, kanal içine monte edilmiş reküperatörler, ısı taşınımı ve ısı ışınımı olan kombine reküperatörler olarak sınıflandırılmaktadır.

Borulu Isı Değiştiricileri endüstride çok yaygın kullanılan ısı değiştirici tiplerinden biridir. Kullanılan tüm ısı değiştiricilerinin yarıdan çoğunun bu tipte olduğu belirtilmektedir. Borulu ısı değiştiricileri, boru ekseni gövdenin eksenine paralel olacak şekilde büyük silindirik gövde içine yerleştirilen birbirine paralel borulardan oluşmaktadır. Paralel veya karşıt akımlı olarak tasarlanabilmektedir. Boru çapı, uzunluğu ve diziliş şekli değiştirilerek farklı konfigürasyonlar oluşturulabilir. Çift borulu ve gövde borulu ısı değiştiricileri borulu ısı değiştiricilerinin tipleri olarak anılabilir. Tek borulu ısı değiştiricileri bulunmamaktadır.

Atık ısı kazanımı kullanımı, proseste kullanılan havanın ön ısıtılması ve buhar yoğunlaştırılması gazlarda, cidarların etrafına paneller yerleştirilmesi ise cidar ısısından enerji geri kazanımı yöntemleridir. Sanayide atık sıvıların enerjisinden yararlanmak amacıyla sıvıların birbirine karışmadığı ısı değiştiricilerinden yararlanılmaktadır. Bu yolla, atık sıcak sıvının enerjisi, ısıtılmak istenen soğuk sıvıya aktarılacaktır. Bu iki sıvının birbirine karışmaması amacıyla, sıvılar birbirinden boru ya da plaka yüzeylerle ayrılmaktadırlar.

Uygulanacak enerji geri kazanım tekniği ne olursa olsun, ilk yatırım maliyetinin belirlenmesi ve geri ödeme süresinin hesaplanması büyük önem taşımaktadır. Diğer bir deyişle, ısı geri kazanımı amacıyla yapılacak hesaplamalarda, yatırımın ne kadar bir süre içerisinde yatırımcısına geri ödeneceği hesaplanmalıdır. Isı geri kazanım cihazlarının kullanımı nedeniyle ilk yatırım maliyetine getireceği artışın yanında, işletme maliyetleri de göz önüne alınmalıdır. Kullanılacak cihazların amortisman süreleri iyi belirlenmeli ve bakım-onarım masrafları dikkate alınmalıdır. Isı geri kazanım cihazlarının tüm sisteme getireceği karmaşık yapının, daha kalifiye bir işletme personeli gerektireceği de unutulmamalıdır.

Borulu tip ısı değiştiricilerin avantajı, basınç ve sıcaklık aralıklarının plakalı tiplere göre daha fazla olmasıdır. Paralel akım-ters akım prensipleri hem borulu hem de plakalı tip ısı değiştiricilerinde görülmektedir. Ters akım prensibinde sıcak ve soğuk akışkanlar ters yönde akarken paralel akım prensibinde sıcak ve soğuk akışkanların akışı aynı yöndedir. Bu prensipler her iki tip ısı değiştiricide uygulanabileceği için sıralanan maddeler bunların avantajı olamaz. Kanatçık, genellikle borulu tip ısı değiştiricilerinde, ısı transfer yüzeyinin arttırılması amacıyla kullanılır. Sıralanan maddeler plakalı tip ısı değiştiricilerin avantajlarıdır.

Buharın yoğuşturulmasıyla sağlanacak enerji geri kazanımı – Gazlarda atık ısı geri kazanımı
Atık sıcak sıvıyla soğuk sıvının ısıtılması – Sıvılarda atık ısı geri kazanımı
Döner fırınların etrafına paneller koyarak yüzey sıcaklığından faydalanmak – Cidar ısısından enerji geri kazanımı
Havalandırma sistemlerinde taze havanın ön ısıtılması/soğutulması – Gazlarda atık ısı geri kazanımıdır.

"Reküperatif sistemler", "Isı tekerleri", "Isı pompaları" ve "Sankey diyagramı" seçenekleri atık ısının geri kazanılmasında kullanılan sistemler iken, Sankey diyagramı sisteme enerji giriş çıkışı ile enerji miktarlarını şematik olarak gösteren diyagrama verilen isimdir; yani bir enerji analizi aracıdır.

Levhalı ısı değiştiricileri: Birbirine paralel olarak sıralanmış ve contalarla ayrılmış ince levhalar bulunmaktadır. Plakalar arasındaki kanallarda enerji alan ve enerji veren akışkanlar ters yönde hareket etmektedirler. Enerjisini verecek olan sıcak akışkan alt kanallardan birinden geçerek yukarıya doğru giderken, enerji alacak olan soğuk akışkan üstteki bir kanaldan geçerek sıcak plakaların arasından aşağıya doğru yönlendirilmektedir.
Isı borulu ısı değiştiricileri: Hareketli parça yoktur. Bir ısı borusunun içi uygun bir akışkanla doldurulur, sızdırmazlığı sağlanmış, kılcal bir yapıda tasarlanmıştır. Her iki ucu kapalı ve içinde soğutucu akışkan vasıtasıyla atık ısının enerjisinin diğer bir gaza aktarıldığı bir sistemdir.
Sıvı akışkanlı indirekt ısı değiştiricileri: Önce atık enerji bir borudan geçirilirken sıvı akışkanla karşılaştırılır ve enerjisi bu akışkana aktarılır. Daha sonra ikinci bir borudan enerji transfer edilecek akışkan geçirilir. Bu borunun içerisine atık akışkanın enerjisini almış olan sıvı akışkan geçirilir.
Isı tekerleği: Bir akışkandan alınan ısı depolanarak diğer akışkana aktarılmaktadır. Isı tekerleği, biri giriş havasını diğeri egzoz gazını taşıyan iki kanal içine yerleştirilmiştir. Isı tekerleği dönerken, içinden geçen atık sıcak gazın enerjisi emilir. Daha sonra depolanan bu enerji soğuk hava giriş havasına transfer edilir.
Gaz gaza indirekt ısı değiştiricileri: Genellikle bacadan atılan atık ısıdan yararlanmak amacıyla kullanılır. Atık proses ısısı, bacadan dışarı yollanırken bacaya yerleştirilen bir ısı değiştiricisinden soğuk çevre havası geçirilmekte, böylece dışarıdan alınan soğuk hava ısıtılarak proses amacıyla kullanılmak üzere gönderilmektedir.

Ekonomizör: Kazan besleme suyu bacadan dışarı atılan atık gaz ile ön ısıtılmaktadır. Böylece kazanda besleme suyunu ısıtmak için daha az enerji kullanılmış olacaktır. Kazanda yakıtın yanması sonucu oluşan baca gazı kazandaki suyu ısıttıktan sonra bacadan dışarı atılmaktadır. Bacadan dışarıya atılan gazda hala kullanılabilecek miktarda enerji bulunmaktadır. Bu enerjiyi kullanmak üzere bacaya bir ekonomizör yerleştirilir ve böylece bacadan atılmakta olan enerjinin bir kısmı geri kazanılmış olur.
Sıvı akışkanlı indirekt ısı değiştiricileri: Önce atık enerji bir borudan geçirilirken sıvı akışkanla karşılaştırılır ve enerjisi bu akışkana aktarılır. Daha sonra ikinci bir borudan enerji transfer edilecek akışkan geçirilir. Bu borunun içerisine atık akışkanın enerjisini almış olan sıvı akışkan geçirilir.
Levhalı ısı değiştiricileri: Birbirine paralel olarak sıralanmış ve contalarla ayrılmış ince levhalar bulunmaktadır. Plakalar arasındaki kanallarda enerji alan ve enerji veren akışkanlar ters yönde hareket etmektedirler. Enerjisini verecek olan sıcak akışkan alt kanallardan birinden geçerek yukarıya doğru giderken, enerji alacak olan soğuk akışkan üstteki bir kanaldan geçerek sıcak plakaların arasından aşağıya doğru yönlendirilmektedir.
Isı tekerleği: Bir akışkandan alınan ısı depolanarak diğer akışkana aktarılmaktadır. Isı tekerleği, biri giriş havasını diğeri egzoz gazını taşıyan iki kanal içine yerleştirilmiştir. Isı tekerleği dönerken, içinden geçen atık sıcak gazın enerjisi emilir. Daha sonra depolanan bu enerji soğuk hava giriş havasına transfer edilir.
Isı borulu ısı değiştiricileri: Hareketli parça yoktur. Bir ısı borusunun içi uygun bir akışkanla doldurulur, sızdırmazlığı sağlanmış, kılcal bir yapıda tasarlanmıştır. Her iki ucu kapalı ve içinde soğutucu akışkan vasıtasıyla atık ısının enerjisinin diğer bir gaza aktarıldığı bir sistemdir.

Reküperatörler, gazdan gaza enerji aktaran ısı değiştiricileridir ve bu üniteleri barındırmazlar. Ekonomizörler, bacalara yerleştirilen ve bacadan atılmakta olan enerjinin bir kısmının geri kazanılmasını sağlayan sistemlerdir ve bu üniteleri barındırmazlar. Atık ısı kazanları, sanayide baca gazıyla atılan enerjiden yararlanmada kullanılan yollardan birisidir ve bu üniteleri barındırmazlar. Plakalı tip ısı değiştiricileri contalarla ayrılmış ince levhalardan oluşurlar ve bu üniteleri içermezler.

Reküperatörler gazdan gaza enerji aktaran ısı değiştiricileridir. Isı geçiş şekline göre sekiz tipte sınıflandırılırlar. Bunlar: Seramik malzemeli reküperatörler, dökme demir malzemeli reküperatörler, çelik borulu reküperatörler, ısı ışınımlı reküperatörler, iki kılıflı reküperatörler, kanal içine monte edilmiş reküperatörler, ısı taşınımı ve ısı ışınımı olan kombine reküperatörlerdir.

Evaporatörde atık ısıyla buharlaşan akışkan, kompresör ünitesinde sıkıştırılarak kondenserin basınç seviyesine çıkarılır. Kondenserde soğuk ortam ile karşılaşan akışkan yoğuşurken enerjisini, ısıtılacak havaya verir. Kondenserden çıkan akışkan genleşme valfine gönderilir ve genleşme valfinde basınç, evaporatör düzeyine düşürülür.  Akışkanın soğuk ortam ile karşılaşması kondenserde, atık ısıyla akışkanın buharlaşması evaporatörde, buharın sıkıştırılması ve basınç seviyesinin yükseltilmesi kompresörde, akışkanın yoğuşması ve enerjisini ısıtılacak havaya vermesi kondenserde, basıncın buharlaştırıcı (evaporatör) düzeyine düşmesi ise genleşme valfinde olur.

Seramik malzemeli reküperatörlerin onarımı çok zaman alır, kapladığı alan büyüktür ve imalat ile montaj fiyatları yüksektir. Sıcaklık sorunları nedeniyle başta seramik reküperatörler tercih edilirken, yukarıda sıralanan dezavantajlar sebebiyle  yerini diğer tip reküperatörlere bırakmıştır.

Seçilecek ısı geri kazanım cihazlarının kapasitelerin belirlenmesinde yüksek emniyet payları konulmamalıdır. Bu durum kapasitelerin yüksek seçilmesi sonucunda sistemin düşük verimle çalışmasına neden olmaktadır.

Isı geri kazanım yöntemi belirlenmeden önce kapsamlı bir enerji analizi yapılır. Yapılan enerji analizi sonucunda Sankey diyagramı hazırlanır. Sankey diyagramı, sisteme enerji giriş çıkışı ile enerji miktarlarını şematik olarak gösteren diyagramlara verilen isimdir.

Genel olarak bakıldığında plakalı tip ısı değiştiricilerinde ısı transfer katsayısı, borulu tiptekilere göre iki kat daha fazladır. Plakalı tip ısı değiştiricilerinin kirlenmesi daha azdır. Plakalı tip ısı değiştiricilerinde akışkan hızının düşük olduğu bölgeler bulunmamaktadır. Plakalı tip ısı değiştiricilerinin bakım ve temizliği daha kolaydır. Birim alan başına malzeme maliyeti borulu tipte genellikle daha yüksek çıkmaktadır. Borulu tip ısı değiştiricilerinin avantajı olarak basınç ve sıcaklık aralıklarının plakalı tiplere göre daha fazla olduğu kaydedilmektedir.