Atık ısı geri kazanımı için döner ısı eşanjörlerinin termo-ekonomik optimizasyonu

Öz

Arka Plan—Daha verimli enerji kullanımı, işletme maliyetlerini, çevre kirliliğini ve küresel ısınmayı azaltmak için hayati önem taşımaktadır. Döner ısı eşanjörleri, endüstriyel uygulamalarda ve enerji mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Döner ısı eşanjörlerinin boyutunun artması, daha yüksek ısı transferi nedeniyle ısı transfer performanslarını artırmaktadır. Ancak büyük ölçekli ısı eşanjörleri maliyetlerini yükseltmektedir. Amaç—Bu boşluğu doldurmak için, bu makale, maksimum tasarruf sağlayacak şekilde döner ısı eşanjörü alanını optimize etmek için P1-P2 ve etkinlik (ε)-transfer birimi sayısı (NTU) yöntemlerine dayalı yeni bir yöntem geliştirmeyi amaçlamaktadır. P1-P2 yöntemi, ısı eşanjörünün ekonomik analizinde kullanılmaktadır. ε-NTU yöntemi, ısı eşanjörlerinin analizi ve tasarımı için termodinamik ve ısı transferinde yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Bu yöntem, ısı eşanjörlerinin performansını tahmin etmek için basit ve verimli bir yol sağlayarak, alandaki mühendisler ve araştırmacılar için önemli bir araç haline gelmektedir. Bu çalışmada, belirli değişkenleri belirli değerlere sabitleyerek ve böylece onları ortadan kaldırarak optimum ısı eşanjörü alanı hesaplanabilir. Bu şekilde, en verimli döner ısı eşanjörleri için ısı eşanjörünün maksimum net toplam yaşam döngüsü tasarrufu (S) için optimum transfer ünitesi sayısı ve geri ödeme süresi ile optimum ε değeri kolayca bulunabilir. ε, NTU, ısı kapasitesi oranı (Cr), S ve geri ödeme süresini içeren termodinamik ve ekonomik parametrelerle yeni matematiksel denklemler geliştirilmiş ve MATLAB yazılımı kullanılarak test edilmiştir. Bulgular—Atık ısı geri kazanımı kullanan döner ısı eşanjörleri için Cr başına optimum ısı transfer alanı 3,015 m2 olarak elde edilmiştir. Optimum ısı transfer alanı için sistemin optimum NTU ve ε değerleri sırasıyla 15,075 ve 0,867 olarak bulunmuştur. Geri ödeme süresi 1,53 yıl olarak belirlenmiştir. Sonuç—Sonuçlar, optimum noktanın ötesindeki ısı transfer alanının, daha yüksek NTU ve ε değerlerine rağmen, sistemin işletilmesi için ekonomik olarak kazançlı olmadığını göstermektedir. Önerilen korelasyonlar, döner ısı eşanjörlerinin termo-ekonomik performansının artırmasına odaklanan araştırmacılar ve tasarımcılar için faydalı olacaktır. Çevresel özelliklerin önerilen denklemler üzerindeki etkisini de içeren sayısal bir çalışma, gelecek çalışmada ele alınacaktır.

Anahtar Kelimeler

• Termo-ekonomi
• Döner ısı eşanjörü
• Isı transfer alanı
• Optimizasyon
• Etkinlik

Thermo economical optimization of rotary heat exchangers for waste heat recovery

Abstract

Context—More efficient energy use is of vital importance for reducing operational costs, environmental pollution and global warming. The rotary heat exchangers are widely employed in industrial applications and power engineering. Increasing size of the rotary heat exchanger leads to augmenting their heat transfer performance owing to higher heat transfer from them. But the large-scale heat exchangers elevate their expenses. Objective—To fill this gap, this paper aims to develop a novel method based on the P1-P2 and effectiveness (ε)-number of transfer units (NTU) methods for optimizing rotary heat exchanger area with the maximum savings. Method—The P1-P2 method is utilized in economic analysis of the heat exchanger. The ε -NTU method is a widely used technique in thermodynamics and heat transfer for analyzing and designing heat exchangers. This method provides a straightforward and efficient way to predict the performance of heat exchangers, making it an essential tool for engineers and researchers in the field. In the present study, the optimal heat exchanger area can be calculated by fixing certain variables to specific values and, thus eliminating them. In this way, optimal ε with optimal number of transfer units and payback period for maximum net overall life cycle savings (S) of the heat exchanger can be easily found for the most efficient rotary heat exchangers. Novel mathematical expressions containing thermodynamic and economical parameters including ε, NTU, heat capacity rate-ratio (Cr), S and payback period are developed and tested using MATLAB software. Results—The optimal heat transfer area per Cr is obtained as 3.015 m2 for rotary heat exchangers used waste heat recovery. Optimum NTU and ε values of the system are found as 15.075 and 0.867 for the optimal heat transfer area. The payback period is determined as 1.53 years. Conclusion—The findings indicate that the heat transfer area beyond the optimum point is not economically beneficial for operating the system, despite greater NTU and ε. The proposed correlations will be useful for researchers and designer focusing on enhancing thermo-economic performance of the rotary heat exchangers. A numerical study including effect of the environmental features on the proposed equations will be addressed in future research.

Keywords

• Thermo economics
• Rotary heat exchanger
• Heat transfer area
• Optimization
• Effectiveness

References

1. [1] N. P. Sankar, A. C. Johnvictor, “Analysis of the impact of organic manure in techno-efficient production of renewable energy from food waste”, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 175, (2025), 106242.
2. [2] W. -L. Chen, S. Alagarsamy, Y. -C. Liao, “Sustainable recycling and reutilization of carbon-based materials: from waste to high-value applications”, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, to be published, doi: 10.1016/j.jtice.2025.106283.
3. [3] M. Kaplan, “Augmented heat transfer in the solar air heater having hybrid roughness as continuous and discrete V ribs with dimples: a CFD analysis”, Case Studies in Thermal Engineering, 77, (2026), 107548.
4. [4] M. Kaplan, “Computational investigation of pressure loss and performance features in PEMFC flow channels with different widened sections”, Fuel Cells, 25(5), (2025), e70026.
5. [5] Y. Xie, J. Yu, M. Cai, L. Chen, Y. Zhang, Y. Wang, B. Chen, “Conversion of waste biomass to highly porous biochar for tricresyl phosphate removal: adsorption performance study and exhausted adsorbent re-utilization”, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 183, (2026), 106616183.
6. [6] M. S. Söylemez, M. Kaplan, “On the optimum sizing of solar electricity production,” Environmental Progress & Sustainable Energy, early access, doi: 10.1002/ep.70277.
7. [7] A. Dağdeviren, E. Gürsoy, E. Gedik, K. Arslan, “Heat transfer and entropy analysis of Fe3O4/H2O ferrofluid in teardrop-dimpled circular tubes”, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 150, (2025), 19657–19676.
8. [8] A. Dağdeviren, E. Gürsoy, M. Gürdal, E. Gedik, K. Arslan, “Turbulent thermal-magneto convection in a teardrop-shaped dimpled tube: An experimental and numerical study”, International Journal of Thermal Sciences, 220, (2026), 110403.

9. [9] K. A. A. Babay, D. Tezcan, A. Dağdeviren, Ş. Ataş, “Comprehensive experimental study on the energy and exergy analysis of the defrost components of an air-source heat pump”, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 151, (2026), 831–843.
10. [10] A. Fawaz, Y. Hua, S. L. Corre, Y. Fan, L. Luo, “Topology optimization of heat exchangers: a review”, Energy, 252, (2022), 124053.
11. [11] D. P. Sekulic, R. K. Shah, Fundamentals of heat exchanger design, 2nd Edition, New York, USA: John Wiley & Sons, 2024.
12. [12] Airwoods, “Rotary Heat Exchangers,” https://www.airwoods.com/ rotary-heat-exchangers-product/ (28.02.2026).
13. [13] K. Thulukkanam, Heat exchangers: classification, selection, and thermal design, 1st Edition, Boca Raton, USA: CRC Press, 2024.
14. [14] E. Melian, H. Klein, N. Thißen, “Economic optimization of rotary heat exchangers using CO2 pricing scenarios based on validated fluid dynamic and thermodynamic-based simulation”, Energies, 14, (2021), 4037.
15. [15] S. Kakaç, H. Liu, A. Pramuanjaroenkij, Heat exchangers: selection, rating, and thermal design, 3rd Edition, Boca Raton, USA: CRC Press, 2012.
16. [16] V. Zmrhal, “The energy saving potential of a rotary heat exchanger with bypass dampers”, Energy Buildings, 285, (2023), 112934.
17. [17] R. K. Jassim, T. Khir, “Exergoeconomic optimisation of an air–conditioning rotary regenerator: effect of matrix thermal conductivity on its performance”, International Journal of Exergy, 1(2), (2014), 215-236.
18. [18] S. Sanaye, S. Jafari, H. Ghaebi, “Optimum operational conditions of a rotary regenerator using genetic algorithm”, Energy Buildings, 40(8), (2008), 1637-1642.
19. [19] J. Dallaire, L. Gosselin, A. K. da Silva, “Conceptual optimization of a rotary heat exchanger with a porous core”, International Journal of Thermal Sciences, 49(2), (2010), 454-462.
20. [20] A. Akbari, S. Kouravand, G. Chegini, “Experimental analysis of a rotary heat exchanger for waste heat recovery from the exhaust gas of dryer”, Applied Thermal Engineering, 138, (2018), 668-674.
21. [21] L. Wang, Y. Bu, D. Li, C. Tang, D. Che, “Single and multi-objective optimizations of rotary regenerative air preheater for coal-fired power plant considering the ammonium bisulfate deposition”, International Journal of Thermal Sciences, 136, (2019), 52-59.
22. [22] H. Güllüce, K. Özdemir, “Design and operational condition optimization of a rotary regenerative heat exchanger”, Applied Thermal Engineering, 177, (2020), 115341.
23. [23] H. Hajabdollahi, M. S. Dehaj, “Rotary regenerator: constructal thermoeconomic optimization”, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 113, (2020), 231-240.
24. [24] W. He, A. A. Barzinjy, S. Khanmohammadi, A. Shahsavar, M. A. Moghimi, M. Afrand, “Multi-objective optimization of a photovoltaic thermal-compound sensible rotary heat exchanger system using exergo-economic and enviro-economic approaches”, Journal of Environmental Management, 254, (2020), 109767.
25. [25] V. Zmrhal, P. Zelenský, J. Boháč, M. Barták, M. Kučera, R. Vavřička, “Determination of the sensible heat effectiveness and pressure loss of a rotary regenerative heat exchanger using CFD”, Building Simulation, 16, (2023), 869-887.
26. [26] K. Özdemi̇r, E. Öğüt. “A comparative analysis of heat pipe and rotary regenerative heat exchangers”, Case Studies in Thermal Engineering, 72, (2025), 106274.
27. [27] J. A. Duffie, W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, 4th Edition, New Jersey, USA: John Wiley & Sons, 2013.
28. [28] O. Büyükalaca, T. Yılmaz, “Influence of rotational speed on effectiveness of rotary-type heat exchanger”, Heat and Mass Transfer, 38, (2002), 441-447.
29. [29] M. S. Söylemez, “On the thermoeconomical optimization of heat pipe heat exchanger HPHE for waste heat recovery”, Energy Conversion and Management, 44(15), (2003), 2509-2517.
30. [30] V. Zmrhal, J. Kubenthiran, P. Zelenský, “Sensible heat effectiveness of rotary heat exchangers at low rotational speeds”, Energy and Buildings, 342, (2025), 115905.