Experimental Investigation of Waste Heat Recovery Systems and Heat Yield Parameters

Abstract

Today, the energy needs are increasing, but the limited amount of fossil energy resources existing and its harmful to the environment has led to the spread of alternative energy sources. The most reliable, easily accessible and inexpensive energy source among these alternative energy sources is accepted worldwide as the efficient use of energy. In this context, energy efficiency is defined as the reduction of energy consumption without causing a decrease in production quality and quantity. Most of the energy obtained from different sources is used in the industry sector. It is anticipated that energy efficiency can be reduced and efficiency will be increased through methods such as efficient use of energy in the industry, prevention of losses and leaks and recovery of waste energy. At the same time, efficient use of energy will make a great contribution to the economy of the country and the protection of the environment. In the industrial sector, especially not using waste heat is one of the most important causes of lost energy. In this study, the waste heat recovery systems are defined and the parameters affecting the thermal efficiency of the two types of waste heat recovery systems (heat wheel and recuperator) most used in the industry are investigated experimentally. Taguchi method was used to determine the optimum conditions in order to increase efficiency in the system examined, and the results were interpreted by analyzing. The optimum conditions for the heat wheel are found as 100% heat wheel turnover rate, 60% Fan 1 speed and 80% Fan 2 speed, while the recuperator is 50 ºC air inlet temperature, 60% Fan 1 speed and 80% Fan 2 speed. The highest efficiency values obtained as a result of verification experiments were calculated as 97% and 73% for heat wheel and recuperator systems, respectively. These values were recorded as the highest efficiency values in all experiments and showed the accuracy of the analyzes performed with the applicability of the Taguchi method.

Keywords

• Energy,Energy Efficiency,Waste Heat,Taguchi Method

Atık Isı Geri Kazanım Sistemleri ve Isıl Verim Parametrelerinin Deneysel İncelenmesi

Öz

Günümüzde enerjiye olan ihtiyacın artması, kullanılan fosil enerji kaynaklarının sınırlı miktarda ve çevreye zararlı olması alternatif enerji kaynakların yaygınlaşmasına sebep olmuştur. Bu alternatif enerji kaynakları arasında en güvenilir, kolay ulaşılabilir ve ucuz olan enerji kaynağı, enerjinin verimli kullanılması olarak tüm dünyada kabul görmektedir. Bu bağlamda enerji verimliliği, üretim kalitesi ve miktarının düşmesine sebebiyet vermeden enerji tüketiminin azaltılması olarak tanımlanmaktadır. Farklı kaynaklardan elde edilen enerjinin büyük bir kısmı sanayi sektöründe kullanılmaktadır. Sanayide enerjinin verimli kullanılması, kayıp ve kaçakların önlenmesi ve atık enerjinin geri kazanımı gibi yöntemlerle enerji maliyetinin düşürebileceği ve verimliliğinin arttırılacağı öngörülmektedir. Aynı zamanda enerjinin verimli kullanılması ülke ekonomisine ve çevrenin korunmasına da büyük katkı sağlayacaktır. Sanayi sektöründe, özellikle atık ısının kullanılmaması kayıp enerjinin en önemli sebeplerinden biridir. Bu çalışmada atık ısı geri kazanım sistemleri tanımlanarak, sanayide en çok kullanılan iki tip atık ısı geri kazanım sisteminin (ısı tekeri ve reküparatör) ısıl verimi üzerindeki etki eden parametreler deneysel olarak incelenmiştir. İncelenen sistemde verimliliğin arttırılması amacıyla optimum şartların belirlenmesi için Taguchi metodu kullanılmış ve analizler gerçekleştirilerek sonuçlar yorumlanmıştır. Isı tekeri için optimum koşullar % 100 ısı tekeri devir hızı, % 60 Fan 1 hızı ve % 80 Fan 2 hızı olarak bulurken, reküparatör için 50 ºC hava giriş sıcaklığı, % 60 Fan 1 hızı ve % 80 Fan 2 hızı olarak bulunmuştur. Doğrulama deneyleri sonucunda elde edilen en yüksek verim değerleri ısı tekeri ve reküparatör sistemleri için sırasıyla % 97 ve % 73 olarak hesaplanmıştır. Bu değerler, yapılan tüm deneyler içerisinde en yüksek verim değerleri olarak kaydedilmiş ve Taguchi metodunun uygulanabilirliği ile yapılan analizlerin doğruluğunu göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Enerji,Enerji Verimliliği,Atık ısı,Taguchi Metodu

References

1. Antonellis, S., Intini, M., Joppolo, C.M., Leone, C., 2014. “Design optimization of heat wheels for energy recovery in HVAC systems”, Energies, 7, 7348-7367.
2. Brueckner, S., Miro, L., Cabeza, L.F., Pehnt, M., Laevemann, E., 2014. “Methods to estimate the industrial waste heat potential of regions – A categorization and literature review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 38, 164-171.
3. Çengel, Y.A., 2011. “Isı ve Kütle Transferi-Pratik Bir Yaklaşım”, Üçüncü Baskı, Güven Bilimsel, İzmir Güven Kitabevi, İzmir.
4. Çomakli, K. ve Terhan, M., 2011. “Sıcak su üretimi için baca gazı atık enerjinin kullanımı”, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 124, 43-51.
5. Editorial, 2018. “Editorial: Industrial waste heat recovery”, Energy, 160, 1-2.
6. Ener Rusen, S. ve Koç, M. 2019. “Enerji Tüketim ve CO2 Salınım Değerlerinin Analizi; Bir Gıda Fabrikası Örneği”, BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 8 (4), 1478-1488.
7. Ener Rusen, S., 2019. “Elektrik Motorlarının Verimlilik ve CO2 Emisyon Analizi; Bir Gıda Fabrikası Örneği”, Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 17, 564-569.
8. Ener Rusen, S., Topcu, M.A., Celtek, S.A., Karanfil, G. ve Rusen, A. 2018. “Investigation of energy saving potentials of a food factory by energy audit”, Journal of Engineering Research and Applied Science, 7 (1), 848-860.

9. aEner Rusen, S., Karanfil Celep, G., Poyraz, Ş. N., 2017. “Optimization of system parameters of heat wheel to enhance the thermal efficiency using Taguchi optimization method”, Internatıonal Conference on Energy and Thermal Engineering: İstanbul 2017, 281.
10. bEner Rusen, S., Karanfil Celep, G., Can, M., 2017. “Influence of Inlet Temperature and Flow Rate of Air on The Thermal Yield of Recuperator”, Internatıonal Conference on Energy and Thermal Engineering: İstanbul 2017, 279.
11. http://kmu.edu.tr/akademikenerji
12. İlten, N., Muslu, M., Caner, İ., 2019. “Isı pompası destekli ısı geri kazanım cihazında kullanılan parametrelerin hata analizleri”, BAUN Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 21 (1), 53-62.
13. Jouhara, H., Khordehgah, N., Almahmoud, S., Delpech, B., Chauhan, A., Tassou, S.A., 2018. “Waste heat recovery technologies and applications”, Thermal Science and Engineering Progress, 6, 268-289.
14. Karanfil, G., Ener Rusen, S., Topcu, M.A., Çeltek, S.A. ve Rusen, A., 2019. “Application of Recuperator for Waste Heat Recovery from Exhaust Flue Gas in Hot Water Boiler in a Central Heating Plant”, Eskişehir Technical University Journal of Science and Technology A- Applied Sciences and Engineering, 20(1), 112–120.
15. Karanfil, G., 2020. “Importance and applications of DOE/optimization methods in PEM fuel cells: A review”, International Journal of Energy Research, 44, 4-25.
16. Manikantha, J.T., Krishna, A.R., Phanisankar, B.S.S., 2017. “Effect on Performance and Emission Characteristics of C.I Engine by Preheating of Intake Air Using Heat Wheel”, International Journal of Thermal Technologies, 7(4), 211-222.
17. Oğulata, R.T., 2004. “Utilization of waste-heat recovery in textile drying”, Applied Energy, 79, 41-49.
18. Shahsavar, A. ve Khanmohammadi, S., 2019. “Energy and economic evaluation and multicriteria optimization of different arrangements of integrated photovoltaic thermal and heat recovery wheel system”, International Journal of Energy Research, 1-18.
19. Uysal, H. L., 2019. “Endüstriyel boyahane tesislerinde baca gazı atık ısısının geri kazanım analizi ve bir uygulama”, Yüksek lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Balıkesir Üniversitesi.
20. Wallin, J. and Claesson, J., 2014. “Improving heat recovery using retrofitted heat pump in air handling unit with energy whell”, Applied Thermal Engineering, 62, 823-829.
21. Varga, Z. ve Palotai, B., 2017. “Comparison of low temperature waste heat recovery methods”, Energy, 137, 1286-1292.