Enerji Geri Kazanım Teknikleri

Dışarıya atılan sıvı ya da gazın enerjisinden farklı yollarla yararlanılabilmesine yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Atık enerjiden yararlanılarak sanayide kullanılan bazı uygulamalar:

• Yakma havasının ön ısıtılması
• Kazan bekleme suyunun ön ısıtılması
• Isıtma ve sıcak su eldesi olarak yararlanılması

olarak sıralanabilir.

Başlıca ısı geri kazanım ekipmanları;

• Plakalı tip ısı değiştiricisi
• Serpantinli tip ısı değiştiricisi
• Isı borusu, döner tip ısı değiştiricisi, ısı pompası

olarak sıralanmıştır.

Isı geri kazanım sistemlerinin, ilk yatırım masrafı ve enerji maliyetlerini azaltabilmesi için tasarım aşamasında aşağıda sıralanan noktalara dikkat edilmesi gerekmektedir.

• Alternatif uygulanabilecek tüm ısı geri kazanım sistemleri ve cihazlarının teknik açıdan projeye uygunluğu incelenmelidir.
• Karşılaştırma amacıyla uygulanma potansiyeli olan her alternatif için ilk yatırım ve enerji maliyet hesapları yapılmalıdır.
• Uygulanacak ısı geri kazanım sistemi nedeniyle kullanılacak daha büyük fan ve motor gibi cihazların ilk yatırım maliyetlerine getireceği ilave artışlar dikkate alınmalıdır.
• Sistemde kullanılacak daha küçük soğutma makineleri, ısı eşanjörleri ve pompaların ilk yatırım maliyetinde ortaya çıkaracağı azalmalar hesaplanmalıdır.
• Cihazların amortisman süreleri ve kullanılacak ana paradaki azalmanın getireceği finansal avantajlar hesaplanmalıdır.
• Kullanılan ısı geri kazanım cihazlarının bakım masrafları hesaplanmalıdır.
• Ayrıca ısı geri kazanım cihazlarının sisteme getireceği karmaşıklık kalifiye bir işletme personeli ihtiyacı gerektireceği dikkate alınmalıdır.

Yukarıda sıralanan faktörlerin göz önüne alınması önemli olmakla birlikte kullanılan ısı geri kazanım sisteminin verimliliği arttıkça enerji maliyetleri doğal olarak azalmakta, bununla birlikte ilk yatırım maliyetleri artmaktadır.

Bir metre uzunluğundaki malzemenin ayırdığı iki ortam arasındaki sıcaklık farkı bir Kelvin olduğunda, kullanılan bu malzemeden, Watt biriminde geçen ısı miktarını "Isı iletim katsayısı" tanımlamaktadır. 

Plakalı tip ısı değiştiricilerinin avantajlı yönlerinden birisi kirlenmenin daha az olmasıdır. Bunun nedeni, plakalı tip ısı değiştiricilerinde ortaya çıkan yüksek türbülansın, tortu ve birikintilerin uzaklaştırılmasını sağlamasıdır. Plakalı tip ısı değiştiricilerinde akışkan hızının düşük olduğu bölge bulunmamaktadır. Plakalı tip ısı değiştiricilerinin başka bir avantajı ise temizlik ve bakım işlemlerinin daha kolay olmasıdır. Ayrıca bu tip ısı değiştiricilerinde ek kapasite ihtiyacı duyulduğunda ek ısıtma yüzeyi kolaylıkla eklenebilmektedir. Değişik malzemeler dikkate alındığında, pek çok malzeme için boru tipi ısı değiştiricilerinin konstrüksüyonunda birim alan başına boru maliyeti, plakalı tip ısı değiştiricilerinde kullanılan malzemenin maliyetinden daha yüksektir. Diğer bir anlatımla birim alan başına malzeme maliyeti genellikle boru tipi ısı değiştiricilerinde yüksektir. Boru tipi ısı değiştiricilerinin avantajlı yönü ise basınç ve sıcaklık aralıklarının plakalı tip ısı değiştiricilerine göre daha fazla olmasıdır.

Higroskopik döner tip rejeneratörleri ile mümkün olmuştur. Bu tip, yapı açısından metalik düz akışlı döner tip rejeneratörlere benzemektedir. Fakat atık gazın yalnız duyulur ısısını değil aynı zamanda gizli ısısını da geri kazanabilmektedir. Higroskopik döner tip rejeneratörler; diğer döner tip rejeneratörlerden daha pahalı olmakla beraber, ekstra maliyet, çoğunlukla gizli ısıyı da içine alan yüksek ısı geri kazanımı nedeniyle kendini kısa sürede geri ödemektedir. Higroskopik döner tip rejeneratörler özellikle binalardaki ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme sistemlerine uygundur. Çünkü atılan havada hem duyulur hem de gizli ısı miktarı yüksektir. Döner tip rejeneratörler, piyasada geniş bir sıcaklık aralığında korozyon ve ısıl gerilimlere dayanabilecek çok çeşitli malzemelerin bulunması nedeniyle, endüstriyel proses ısı geri kazanımı uygulamalarına da kolayca uygulanabilir. Tipik endüstriyel uygulamalar arasında düşük sıcaklıklı kavurma ve kurutma fırınları, yüksek sıcaklıklı fırınlar ve baca gazlarından ısı geri kazanımı sayılabilir.

Isı boruları, çoğu zaman gazdan gaza ısı geri kazanımı amacı ile kullanılırlar. Ünite büyüklüğü hava akışına göre değişir. Sistemin performansı ısı borularındaki kanatçık sayısına, boru demeti sıra sayısına, gaz akış hızına, gaz yoğunluğuna ve her iki gazın debisine bağlıdır. Isı boruları günümüzde 350°C’ye kadar olan sistemlerde çalıştırılabilmektedir. Bu sistemler ısıtma ve havalandırma amacıyla kullanılmaktadır. Isı borularının başlıca kullanıldığı endüstriyel tesislerin uygulamaları; havalı kurutucuların taze hava girişinde, otomobil boya kurutma fırınlarında, tuğla ocakları taze hava girişinde, tahıl kurutucularında, boya sprey kabinlerinde, endüstriyel kurutma işlemlerinde, soğutucuların girişinde, fosfatlama tesislerinde, kurutma işlemlerinde, tekstil fırınlarının taze hava girişlerinde olarak ifade edilebilir. Ayrıca ısıtma ve havalandırma ile ilgili aşağıdaki birçok sahada geniş bir uygulama alanı vardır. Fabrikalarda çeşitli ortamların ısıtılmasında, büyük mağazalarda, otellerde, laboratuvarlarda, hastanelerde, ofislerde, okullarda, büyük mutfaklarda, yüzme havuzlarında,çeşitli sanayi tesislerinde, tiyatrolarda. Isı borularının ömürleri 15 yıl civarında olup geri ödeme süreleri yaklaşık 2 yıldır. Isı borulu sistemler ısıtma amacı ile kullanılabildiği gibi soğutma amacı ile de kullanılabilir.

Sıvı akışkanlı indirekt ısı değiştiricilerin ısı borulu sisteme göre en önemli avantajı, sıcak gaz kanalı ve ısıtılacak hava kanalının birbirinden uzak olmasına olanak tanımasıdır. Bu sistemde akışkanın taşınması için kullanılan pompanın tükettiği enerji, geri kazanılan enerjinin yaklaşık %1’ine karşılık gelmektedir.

Ekonomizörlerde korozyonu önlemenin iki yolu vardır. Bunlardan birisi gaz sıcaklıklarını çiğlenme sıcaklığının altına düşürmemektir. Diğeri eğer gaz sıcaklığı çiğlenme sıcaklığının altına düşüyor ise ekonomizörler korozyona dayanıklı malzemelerden üretilmelidir.

Ekonomizörün kazana iki türlü faydası bulunmaktadır. Bu faydalardan biri, baca gazı sıcaklığını düşürerek kazan verimini yükseltmek ve yakıt tasarrufu sağlamaktır. Diğeri ise kazana yollanan su ile buharlaşmakta olan su veya ısıtma suyu arasında sıcaklık farkı düşeceğinden kazandaki ısıl gerilmeler azalmakta, su içerisindeki gazın çıkışı kolaylaşmaktadır.

Reküperatörler ısı geçiş şekline göre ısı taşınımlı reküperatörler, 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 reküperatörler olarak sınıflandırılabilirler.

Reküperatörlerin üstünlükleri;

• Reküperatöre giren hava sıcaklığı, ekonomizöre giren su sıcaklığından daha düşük olduğundan, duman gazları reküperatörden daha düşük bir sıcaklığa (örnek olarak 140°C değerine) kadar soğutulabilir.
• Reküperatördeki basınçlar, su ısıtıcısına göre çok daha azdır.
• Daha küçük hava fazlalık katsayısı ile tam yanmaya yaklaşıldığından yanma verimi artar.
• Küçük yüklerde dahi yakıtın tutuşması kolaydır.
• Tutuşmanın hızlanması, daha büyük yük aralığında çalışmayı sağlar.
• Yanmanın iyileşmesi ve ocak sıcaklığının artması, kompakt kazanların imalatına imkan verir.
• Sıcak hava ile toz kömür kurutulduğundan, taşınması, beslenmesi ve yakılması kolaylaşır.
• Çok nemli testere talaşı, odun, zeytinyağı ve pancar artıkları sıcak hava ile kurutularak kolayca yakılabilir.
• Ayrıca çeşitli bölgelerin ısıtılmasında ve bazı maddelerin kurutulmasında sıcak havadan yararlanılabilir.

olarak sıralanabilir. 

Reküperatörlerin sakıncaları;

• Havanın ısınması stoker ve ocak duvarlarının refrakterlerinde çabuk bozulmalarına neden olduğundan ilave bir bakım masrafı doğurur.
• Sıcak hava içine karışabilen yanıcı tozlar tutuşarak önemli tahribat yaratabilir.
• Reküperatörün mümkün olduğu kadar küçük projelendirilmesi, vantilatör ve kanalların tasarımı dikkatli ön çalışma gerektirir.
• Hava ve duman tarafındaki kaçakların tespiti kolay değildir. Ancak bu kaçakların neden olduğu korozyon ileri bir tahribat yaptıktan sonra kaçak yeri bulunabilir. Bu durumda da tamirat masrafı fazladır.

olarak ifade edilebilir.

Seramik malzemeli reküperatörlerde, seramik malzeme ile ayrılmış kanallardan her iki gaz geçirilerek ısı transferi sağlanır. Bu tip reküperatörlerin onarımı çok zaman alabilir. Bunun nedeni el emeğinin fazla olmasındandır. Bu tip reküperatörlerin en önemli avantajı yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmeleridir. Ömürleri 4-6 yıl civarında olup kullanım ömrü arttıkça gaz kaçak oranı %5’lerden %30’lara çıkabilir. Bu tip reküperatörlerin diğer dezavantajı imalat ve montaj fiyatlarının yüksekliği ile kapladığı alanların fazlalığıdır.

Metalik Reküperatörler; yaygın olarak çelik ve dökme demirden imal edilirler. Bu tip reküperatörlerde kaçak oranı çok düşüktür (%0,1 mertebelerinde). Ancak korozyon oluşumu ortaya çıktığında kayıp oranlarında da yükselmeler olabilmektedir. Bu tip reküperatörlerde kullanılan sıcaklık değerleri 500°C-700°C arasındadır. Bu tip reküperatörlerin ömürleri kullanım sıcaklığına bağlı olarak değişebilmekle birlikte 4-6 yıl arasındadır. Gaz içinde korozyon yapan bileşiklerin olması reküperatör ömrünü azaltmaktadır. Seramik reküperatörlerle karşılaştırıldığında daha az yer kapladıkları, tamir ve bakımlarını daha kolay olduğu söylenebilir.

Atık ısı kazanları (Waste Heat Boiler), ekonomizörlere benzerler. Çeşitli fabrikalardaki atık ısı bacalarına yerleştirilerek çeşitli amaçlarda kullanılabilecek sıcak su ya da buhar üretirler. Atık ısı kazanlarının pek çok çeşidi ve uygulama sahası vardır. Bu uygulamada kazan çeperlerinde sıcak su dolaştırılarak verim artırılmaktadır.

Isı pompalarının dışındaki ısı kazanım sistemleri, alan ısıtması, yakma havasının ısıtılması veya diğer doğrudan ısıtma amacıyla kullanılmaktadır. Daha düşük sıcaklıklı uygulamalarda ısı pompası kullanılabilmektedir. Endüstride pek çok yerde atık ısı taşıyan ortamın (sıvı veya gaz) sıcaklığı, başka bir yöntemle kullanılamayacak kadar düşüktür. Boru tüp ve levha tipi ısı değiştiricileri ile düşük sıvı sıcaklıklarında çalışabilmektedir.

Isı pompası, dört üniteden oluşmaktadır. Bunlar; evaporatör, kompresör, kondenser, genleşme valfidir. Buharlaştırıcıda atık ısı ile buharlaşan akışkan kompresörde sıkıştırılarak bir üst basınç seviyesine yükseltilir, bu arada sıcaklığı da artırılır. Kondenserde soğuk ortam ile karşılaşan akışkan yoğunlaşırken, enerjisini ısıtılacak havaya verir. Kondenserden çıkan akışkanın genleşme valfinde basınç ve sıcaklığı evaporatör seviyesine düşürülür.

Isı pompasının verimi;

COP : (Coefficient of Performance) Performans katsayısı
T1 : Kondenserdeki yoğuşma sıcaklığı (K)
T2 : Evaporatördeki buharlaşma sıcaklığı (K)

olmak üzere 

eşitliği ile hesaplanır. Bu eşitlikte ilgili değerler yerine konulduğunda ısı pompasının verimi;

olarak hesaplanır. 

Ciddi boyutta atık madde üreten tesisler bu maddelerin enerji kaynağı olarak yakılmasının ekonomik boyutunu:

• Üretilen günlük atık maddenin hacimce yoğunluğunun belirlenmesi,
• Belirlenen günlük atık madde hacmi ve yoğunluğu çarpılarak bir günde üretilen atık madde kütlesinin belirlenmesi,
• Belirlenen günlük atık madde kütlesi ile atık maddenin ortalama kalorifik değeri çarpılarak bir günde üretilen atık maddenin enerjisinin belirlenmesi.
• Günde yakılan atık maddenin kilogram olarak toplam miktarının saat olarak yakma süresine bölünmesiyle saatte yakılan atık madde bulunur.

biçiminde değerlendirebilirler.