Ünite 1: Enerji Geri Kazanım Teknikleri

Giriş

Atık enerjiden yararlanılarak sanayide kullanılan bazı uygulamalar şunlardır:

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

Isı değiştiricisinin bir tarafından atık sıvı ya da gaz; diğer taraftan ise ısıtılmak üzere yollanan gaz ya da sıvı girmektedir. Atık sıvı ya da gaz enerjisini vererek soğumuş olarak çıkarken ısıtılmak üzere yollanan gaz ya da sıvı atık enerjiden yararlanılarak sıcaklığı artmış olarak çıkmaktadır.

Isı değiştiricileri (ısı eşanjörleri), iki akışın birbiriyle karışmaksızın ısı alışverişinde bulundukları cihazlardır.

Başlıca ısı geri kazanım ekipmanları aşağıda sıralanmıştır:

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

Atık ısı kazanları: bazı sanayi tesislerinde bacadan atılan yüksek sıcaklıktaki atık gazın enerjisi ile atık ısı kazanında dolaşmakta olan suyun sıcaklığı artırılmaktadır.

Isı geçişi: yüksek sıcaklıktaki bir madde ya da ortamdan daha düşük sıcaklıktaki bir madde ya da ortama sıcaklık farkından dolayı ısının taşınmasıdır. Bu olay, iki ortam veya maddenin sıcaklıkları eşitlenene kadar devam eder.

Isı Geri Kazanım Ekipmanlarının İlk Yatırım ve İşletme Ekonomisine Etkileri

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.

İşletmenin Enerji Akış Şemasının Oluşturulması ve Isı Geri Kazanım Ekipmanlarının Seçilmesi

Sisteme giren ve çıkan enerjilerin ayrıntılı ve şematik olarak gösterildiği diyagrama Sankey diyagramı adı verilir.

Sankey diyagramı incelenerek işletmedeki atık ısı noktaları belirlenir. Buralardan yararlanılabilecek enerji miktarı ile geri kazanım cihazlarının seçimi yapılır. Daha sonra seçilen ısı geri kazanım cihazının boyutlandırma ve maliyet çalışmaları gerçekleştirilir. Isı geri kazanım cihazları genelde atık ısının tipine göre iki ana grupta toplanmaktadır : sıvıdan atık ısı geri kazanımı ve gazdan atık ısı geri kazanımıdır.

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

Gazlarda Atık Isı Geri Kazanımı

Gazlardan atık ısının geri kazanılmasında en çok karşılaşılan uygulama atık ısı kazanı kullanımıdır. Bu uygulamada işletmenin sıcak su ve ısıtma ihtiyacı atık ısıdan alınan enerji yoluyla gerçekleştirilmektedir.

Diğer bir uygulama havalandırma sistemlerinde atılan ısının geri kazanılması yoluyla taze havanın ön ısıtılmasıdır.

Atık gazın enerjisinden yararlanılmasında kullanılan diğer bir yol ise atık gazın bünyesinde bulunan buharın yoğuşturulmasıyla sağlanan enerji geri kazanımıdır.

Bu sistemler yoğuşmalı sistemler olarak anılmakta olup konutlarda ve sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Avrupa Birliği ülkelerinde ısıtma sistemlerinde kullanılan kombi ya da kazanların yoğuşmalı olma şartı bulunmaktadır. Özellikle doğal gaz kullanan ısıtma sistemlerinde yanma sonucu oluşan H ₂ O yüksek sıcaklıkta buhar hâline gelir. Buharlaşırken yakıtın enerjisinin bir kısmını da kullanmaktadır. Yoğuşmasız sistemlerde gazın içindeki buhar bacadan dışarı atılmaktadır.

Sıvılarda Atık Isı Geri Kazanımı

Atık sıvıların enerjisinden yararlanmak amacıyla sanayide sıvıların birbirine karışmadığı ısı değiştiricilerinden yararlanılmaktadır. Böylece atık sıcak sıvının enerjisi, ısıtılmak istenen soğuk sıvıya aktarılmaktadır. Bu iki sıvının birbirine karışmaması için sıvılar birbirinden boru ya da plaka yüzeylerle ayrılmaktadır. Sanayide sıvılardan atık ısı geri kazanımı farklı uygulamalarla yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıvılardan atık ısı geri kazanımında da ısı transfer yüzeyini artırmak amacıyla kanatçık uygulaması kullanılmaktadır. Soğuk ve sıcak akışkanın her ikisi de sıvı olduğunda plakalı tip ısı değiştiricilerinde ısı transferi daha hızlı gerçekleşmektedir.

Doğal kaynaklarımızın korunmasını sağlaması, enerji tasarrufu sağlamamıza yardım etmesi, atık miktarını azaltarak çöp işlemlerinde kolaylık sağlaması ve geleceğe ve ekonomiye yatırım yapmamıza yardımcı olması açısından geri dönüşüm önemlidir. Geri dönüşebilen maddeler şunlardır: Demir, çelik, bakır, alüminyum, kurşun, piller, kağıt, plastik, kauçuk, cam, motor yağları, atık yağlar, akümülatörler, araç lastikleri, beton, röntgen filmleri, elektronik atıklar, organik atıklar...

Isı Geri Kazanımında Kullanılan Sistem ve Ekipmanlar

Atık enerjiden yararlanılırken kullanılan başlıca ısı geri kazanım ekipmanları şunlardır: plakalı tip ısı değiştiricileri, boru tipi ısı değiştiricileri, döner tip ısı değiştiricisi, ısı boruları, sıvı akışkanlı endirekt ısı değiştiriciler, gaz kullanan en direkt ısı değiştiriciler, ekonomizörler, reküperatörler, atık ısı kazanları, ısı pompaları, atık maddelerden yararlanma ve çöp yakma fırınları.

Plakalı Tip Isı Değiştiricileri

Birbirine paralel olarak yerleştirilmiş ve contalarla ayrılmış ince levhalar bulunur. Plakalar arasındaki kanallarda enerji alan ve enerji veren akışkanlar ters yönde hareket eder. Enerjisini verecek olan sıcak akışkan alt kanallardan geçerek yukarıya doğru giderken enerji alan soğuk akışkan üstteki bir kanaldan geçerek sıcak plakaların arasından aşağıya doğru yönelir.

Boru Tipi Isı Değiştiricileri

Boru ekseni gövdenin eksenine paralel olacak şekilde büyük silindirik gövde içerisine yerleştirilen, birbirine paralel borulardan oluşur. Borulu tip ısı değiştiricileri, paralel akımlı veya karşıt akımlı olarak çalıştırılabilir.

Döner Tip Isı Değiştiricisi

Biri egzoz gazı, diğeri giriş havasını taşıyan bitişik iki kanal içerisinde yer alır; gaz akışı ters yöndedir; Ljunström ısı değiştiricisi olarak da bilinir. Tekerlek dönerken içinden geçen sıcak gazdan ısıyı absorbe eder ve daha sonra soğuk giriş havasına ısıyı transfer eder.

Higroskopik teker: Ortamdan (havadan) nem çekebilen cihaz.

Isı Boruları

Her iki ucu kapalı ve içinde soğutucu akışkan vasıtasıyla atık ısının enerjisinin diğer bir gaza (örneğin havaya) aktarıldığı bir sistemdir. İç yüzeyi kılcal (küçük çaplı ince) bir boru ile çevrelenmiştir. Kılcal borunun içinde soğutucu akışkan bulunmaktadır.

350 °C’ye kadar olan sistemlerde çalıştırılabilir; ısıtma ve soğutma ve havalandırma amacıyla kullanılır.

Sıvı Akışkanlı İndirekt Isı Değiştiriciler

Çalışma sıcaklığı esas alınarak seçilen sirkülasyon (dolaşım) sıvısı, sıcak atık gaz akımı içerisine yerleştirilmiş ısı eşanjöründen geçerken ısınır. Isınmış sıvı ısıtılacak gazın geçtiği bir kanal içine yerleştirilmiş ısı eşanjörü içine pompalanır. Burada akışkanın ısısı ısıtılacak gaza aktarılır. Yüksek sıcaklıkların söz konusu olduğu durumlarda su/glikoz karışımı sıvı kullanılır.

Gaz Kullanan İndirekt Isı Değiştiriciler

Gazdan gaza ısı değiştiricileri: bacalardaki atık ısıdan yararlanmak amacıyla kullanılır; daha çok proses havasının ön ısıtmasında kullanılır; her iki gaz kanalının birbirinden uzak olmadığı yerlerde kullanılır.

Ekonomizörler

Genellikle kazan besleme suyunun baca gazı ile ön ısıtılmasında kullanılır. Yakıtın yanması sonucu oluşan baca gazı ürünleri kazandaki suyu ısıttıktan sonra bünyesinde hala büyük miktarda enerji bulundurur. Bacaya bir ekonomizör ilave edilerek gaz içindeki ısının bir kısmı geri kazanılabilir.

Korozyon: atık gazın çiğ noktası sıcaklığına düşmesi ile yoğuşarak ekonomizör yüzeyi üzerinde birikmesiyle ortaya çıkar; özellikle suyun ekonomizöre giriş bölümündeki soğuk yüzeyler; atık gazda bulunan SO ₂ ve SO ₃ gazları ile su buharının birleşmesi sonucu oluşan H ₂ SO ₂ ve H ₂ SO ₄ asitleri, ana nedendir.

Reküperatörler

Gazdan gaza ısı eşanjörleridir. Kazan veya fırın girişlerinde havanın ön ısıtılmasında kullanılır; daha yüksek alev sıcaklığına çıkmak da mümkün olur.

Isı geçiş şekline göre şu şekilde sınıflandırılır: Isı 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.

Santigrat (°C) olarak verilen bir sıcaklığı mutlak sıcaklık birimi olan Kelvine (K) dönüştürmek için, şu eşitlik kullanılır:

T(K)= T(°C) + 273

T : sıcaklık ; K : Kelvin ; °C : Santigrat derece

Seramik Reküperatörler

Seramik malzeme ile ayrılmış kanallardan her iki gaz geçirilerek ısı transferi sağlanır; el emeği fazladır.

Metalik Reküperatörler

Yaygın olarak çelik ve dökme demirden imal edilirler.

Atık Isı Kazanları

Atık ısı kazanları, ekonomizörlere benzer. Çeşitli fabrikalardaki atık ısı bacalarına yerleştirilerek sıcak su ya da buhar üretirler.

Isı Pompaları

Alan ısıtması, yakma havasının ısıtılması veya diğer doğrudan ısıtmaya göre daha düşük sıcaklıklı uygulamalarda (ısıtma ya da soğutma) ısı pompası kullanılabilir. Boru-tüp ve levha tipi ısı değiştiricileri ile düşük sıvı sıcaklıklarında çalışabilir.

Dört üniteden oluşur: Evaporatör (buharlaştırıcı), kompresör (sıkıtırıcı), kondenser (yoğunlaştırıcı), genleşme valfi.

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.

İdeal ısı pompası devresi, ters çalışan bir Carnot çevrimidir.

İzantropik işlem: Sabit entropide gerçekleşen termodinamik işlemler.

İzotermal işlem: Sabit sıcaklıkta gerçekleşen termodinamik işlemler.

Isı pompasının verimi şu formülle hesaplanmaktadır:

COP = T ₁ / T ₁ - T ₂

COP : (Coefficient of Performance) Performans katsayısı

T ₁ : Kondenserdeki yoğuşma sıcaklığı (K)

T ₂ : Evaporatördeki buharlaşma sıcaklığı (K)

Atık Maddelerden Yararlanma ve Çöp Yakma Fırınları

Refrakter (ateş) tuğla: Ateşe dayanıklı tuğladır; 1000 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda uzun süre kullanılabilir.

Çöp yakma fırınları, refrakter (ateş) tuğlalarla örülür ve çelik bir gövde ile yakma havasını dağıtan iç kanallardan oluşur.