A Review on Waste Heat Recovery Systems and a Case Study from Industry

Öz

Rapid population growth, increase in the industrialization rate and technological developments increase the need for energy day by day. It is assumed that about one-fourth of the energy consumption of many industrial plants throughout the world is lost waste gases discharged into the atmosphere. Recovering this huge waste heat is possible with heat recovery systems. In this study, literature review and classifications on waste heat recovery systems have been investigated. In addition, a case study was conducted to investigate the potential of exhaust gas heat recovery for a natural gas-fired boiler. Results led us design a heat recovery system to utilize the waste heat from the exhaust gas. For this design; energy, heat transfer and economic analysis have been made and the fuel savings of the system was calculated 1.121.410, 23 TL for 15 years economic life with present value method. 

Anahtar Kelimeler

• Waste heat,Waste heat recovery systems,Recuperator,Heat transfer

Atık Isı Geri Kazanım Sistemlerine Yönelik Literatür Araştırması ve Sanayiden Örnek Vaka İncelemesi

Öz

Yaşanan hızlı nüfus artışı, sanayileşme oranının yükselmesi ve teknolojideki gelişmeler enerjiye duyulan ihtiyacı günden güne arttırmaktadır. Dünya genelinde birçok endüstriyel tesise ait enerji tüketiminin yaklaşık olarak dörtte birinin atmosfere atılan atık gazlar ile kaybolduğu varsayılmaktadır. Çok büyük miktarda olan bu kaybın tekrar kazanılması geri kazanım sistemleri ile mümkün hale gelmektedir. Bu çalışmada atık ısı geri kazanım sistemleri üzerine yapılmış olan daha önceki çalışmalar sınıflandırılarak incelenmiştir. Ayrıca örnek bir vaka çalışması yapılarak doğalgaz yakıtlı bir kazan için baca gazı ısı geri kazanım potansiyeli araştırılmış, atık baca gazındaki ısıdan yararlanmak amacıyla ısı geri kazanım sistemi (reküperatör) tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem için; enerji analizleri, ısı transfer analizleri ve ekonomik analizler yapılmış, sistemin 15 yıllık ekonomik ömrü boyunca sağlayacağı yakıt tasarrufu, Net Bugünkü Değer Metodu ile 1.121.410,23 TL olarak hesaplanmıştır. 

Anahtar Kelimeler

• Atık ısı,Atık ısı geri kazanım sistemleri,Reküperatör,Isı transferi

Kaynakça

1. 1. Angın, B., 2007. Cam Sanayinde Geleneksel Yakıtlar Yerine Doğal Gaz Kullanımının Enerji Ekonomisi Açısından İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Mersin Üniversitesi, Mersin, 1-68.
2. 2. Selbaş, R., 1992. Atık Isı Enerjisinden Yararlanma Yöntemleri ve Uygulamaları, Akdeniz Üniversitesi F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, Antalya, 1-57.
3. 3. Willems, D., 2006. Advanced System Controls and Energy Savings for Industrial Boilers, Transactions of the Citrus Engineering Conference, 52, 11- 22.
4. 4. Güngör, A., 1995. İklimlendirmede Enerji Geri Kazanımında Isı Borulu Isı Değiştiriciler, Makine Mühendisleri Odası, II.Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi Bildiriler Kitabı, 639-655.
5. 5. Ersöz, M.A., 2002. Baca Gazlarındaki Atık Isının Isı Borusu ile Geri Kazanımının Araştırılması, Gazi Üniversitesi F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, Ankara,1- 133.
6. 6. Ersöz, M., 2009. Baca Gazlarındaki Atık Isının Isı Borusu İle Geri Kazanımının Deneysel İncelenmesi, IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 133-141.
7. 7. Ürün, E.,2010. Atık Baca Gazlarından Isı Geri Kazanımının Deneysel Olarak İncelenmesi, Karabük Üniversitesi F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, Karabük, 1-71.
8. 8. Remeli, M., 2015. Simultaneous Industrial Waste Heat Recovery and Power Generation Using Heat Pipe Assisted Thermoelectric Generator, Manufacturing Engineering College of Science Engineering and Health RMIT University, Master’s Thesis, Australia, 1-158

9. 9. Jouhara, H., 2017. Experimental Investigation on a Flat Heat Pipe Heat Exchanger for Waste Heat Recovery in Steel Industry, 1st International Conference on Sustainable Energy and Resource Use in Food Chains, Berkshire-UK, 1-15.
10. 10. Ogulata, R. T., Doba, F., & Yilmaz, T. (1999). Second-law and experimental analysis of a cross-flow heat exchanger. Heat transfer engineering, 20(2), 20-27.
11. 11. Şahan, A.M., 1999. HVAC Uygulamalarında Isı Geri Kazanımı, IV. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 151-161.
12. 12. Atalay, B., 1998. Waste Heat Recovery Using Regenerative Heat Exchanger, Çukurova University Institute of Natural and Applied Sciences, Master’s Thesis, Adana,1-96.
13. 13. Goel, N., 2012. Design and Performance Analyses of Condensing Heat Exchangers for Recovering Water and Waste Heat from Flue Gas, Lehigh University, Department of Mechanical Engineering, Master’s Thesis, Ann Arbor, 1-107.
14. 14. Yamankaradeniz, N., 2007. Tekstil Sanayiinde Atık Isıdan Yararlanılarak Enerji Tasarrufunda Klasik Sistem ile Isı Pompasının Karşılaştırılması, Uludağ Üniversitesi Müh. Mim. Fakültesi Dergisi, 12(1), 115-124.
15. 15. Yamankaradeniz, N., 2009. Soğutma Tekniği ve Isı Pompası Uygulamaları, Dora Yayıncılık, 2, 13-14.
16. 16. Muslu, M. 2017. Isı pompası destekli ısı geri kazanım cihazının farklı sıcaklıklardaki performans analizi, Master's thesis, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 1-72.
17. 17. Farshi, L.G., 2018. Thermodynamic Analysis of a Cascaded Compression Absorption Heat Pump and Comparison with Three Classes of Conventional Heat Pumps for the Waste Heat Recovery, Applied Thermal Engineering Journal, 128, 282–296.
18. 18. Gibbs, B.M., 1987. Boiler Fuel Savings by Heat Recovery and Reduced Stanby Losses, Heat Rec. Systems and CHP Journal, 7, 151-157.
19. 19. Butcher, T.A., Litzke W., 1994. Condensing Economizers For Small Coal- Fired Boilers and Furnaces, U.S.mEnergy Pittsburgh Energy Technology Center, Master’s Thesis, New York, 1-80.
20. 20. Çıtır, H., 2013. Endüstriyel Tav Fırınında Ekonomizer Tasarımı, Karabük Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği, Yüksek Lisans Tezi, Karabük, 1-50.
21. 21. He, B., 2014. Thermodynamic Analysis of a Low-Pressure Economizer Based Waste Heat Recovery System for a Coal-Fired Power Plant, Energy Journal, 65, 80-90.
22. 22. Kılınç, H., 2016. Endüstriyel Tav Fırını Bacalarından Atık Isının Geri Kazanımı, İskenderun Teknik Üniversitesi Mühendislik ve F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, Hatay, 1-56.
23. 23. Aras, H., 1991. Doğal Gaz Yakan Sistemlerde Baca Gazından Isı Geri Kazanımı, Anadolu Üniversitesi F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, Eskişehir,1-60.
24. 24. Selimli, S., 2012. Endüstriyel Tav Fırını için Reküperatör Tasarımı, Karabük Üniversitesi F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, Karabük, 1-73.
25. 25. Willems D., 2006. Advanced System Controls and Energy Savings for Industrial Boilers, Transactions of the Cit. Eng. Conference, USA, 11-22.
26. 26. Cortina, M., 2006. Flue Gas Condenser for Biomass Boilers, Lulea University of Technology Department of Applied Physics and Mechanical Engineering, Master’s Thesis, Sweden, 1-76.
27. 27. Ünlü, C., 2008. Buharlı Sistemlerde Enerji Geri Kazanımı, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 108, 53-63.
28. 28. Terhan, M., 2010. Atatürk Üniversitesi Isıtma Sistemi Kazan Bacalarında Isı Geri Kazanım Potansiyelin Araştırılması, Atatürk Üniversitesi F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, Erzurum, 1-192.
29. 29. Wang, D., 2012. Coal Power Plant Flue Gas Waste Heat and Water Recovery, Applied Energy Journal, 91, 341–348.
30. 30. Görgülü, B., 2013.Atık Isı Kaynaklı Çift Etkili Absorpsiyonlu Soğutma Sisteminin Termodinamik Analizi, Süleyman Demirel Üniv, Yüksek Lisans Tezi, Isparta, 1-99.
31. 31. Yağlı, H., 2013. Atık Isının Organik Rankine Çevrimi ile Kullanılabilirliği ve Ekserjisi, 9. Ulusal Temiz Enerji Semp., Konya, 394-401.
32. 32. Peris, B., 2015. Experimental Study of an ORC for Low Grade Waste Heat Recovery in a Ceramic Industry, Energy Journal, 85, 534-542.
33. 33. Seyedkavoosi, S., 2017. Exergy-Based Optimization of an Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery from an Internal Combustion Engine, Applied Thermal Engineering Journal, 126, 447–457.
34. 34. Ramirez, M., Epelde, M., de Arteche, M. G., Panizza, A., Hammerschmid, A., Baresi, M., & Monti, N. 2017. Performance evaluation of an ORC unit integrated to a waste heat recovery system in a steel mill. Energy Procedia, 129, 535-542.
35. 35. Srikanth, S., 2003. Analysis of Failures in Boiler Tubes Due to Fireside Corrosion in a Waste Heat Recovery Boiler, Engineering Failure Analysis Journal, 10, 59–66.
36. 36. Yaylacı, Ç., 2015. Konvansiyonel ve Atık Isı Kazanlarda Buhar Üretimi Sürecinin Enerji ve Ekserji Analizleri, GTÜ, Yüksek Lisans Tezi, Gebze, 1-73.
37. 37. Sharma, O.P., 2018. Thermodynamic Analysis of a Supercritical/Transcritical CO2 Based Waste Heat Recovery Cycle for Shipboard Power and Cooling Applications, Energy Con. and Manag., 155, 262–275.
38. 38. Can, M., 2009.Waste-Heat Recovery Potential in Turkish Textile Industry: Case Study for City of Bursa, Renewable and Sustainable Energy Reviews Journal, 13, 663–672.
39. 39. Koçlu, A., 2011. Tekstil Endüstrisi Boyama Prosesinde Plakalı Isı Değiştiricilerle Atık Isı Geri Kazanım Sistemi Enerji ve Ekserji Analizi, X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 1913-1925.
40. 40. Kaşka, Ö., 2014.Energy and Exergy Analysis of an Organic Rankine for Power Generation from Waste Heat Recovery in Steel Industry, Energy Conversion and Management Journal, 77, 108-117.
41. 41. Eyidoğan, M., 2014. Endüstriyel Tav Fırınlarında Enerji Tasarrufu ve Emisyon Azaltım Fırsatları, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Dergisi, 29(4), 735-743.
42. 42. Akın, S., 2016. Demir Çelik Endüstrisinde Ergimiş Cüruftan Elde Edilen Atık Isının Geri Kazanımı, Bursa Teknik Üniversitesi F.B.E, Bursa, 1-118.
43. 43. Deng, Y., 2017. Investigation on Thermal Performance of Steel Heat Exchanger for Ground Source Heat Pump Systems Using Full-Scale Experiments and Numerical Simulations, App. Ther. Engineering, 91-98.
44. 44. Jouhara, H., Almahmoud, S., Chauhan, A., Delpech, B., Nannou, T., Tassou, S. A., ... & Arribas, J. J. (2017). Experimental investigation on a flat heat pipe heat exchanger for waste heat recovery in steel industry. Energy Procedia, 123, 329-334.
45. 45. Chang, S., 2017. Modeling Thermodynamic and Techno-Economic Analysis of Coke Production Process with Waste Heat Recovery, Energy, 141, 435-450.
46. 46. Karellas, S., 2013. Energetic and Exergetic Analysis of Waste Heat Recovery Systems in the Cement Industry, Energy Journal, 58, 147-156.
47. 47. Tütüncü, G., 2012. Çimento Sektöründe Atık Isı Geri Kazanım (WHR) Sisteminin Termodinamik İncelemesi, Ege Üniversitesi F.B.E, İzmir, 1-98.
48. 48. Güneş, M.F., 2001. Energy and Cost Analysis of A Cogeneration System, Dokuz Eylül Üniversitesi F.B.E, Yüksek Lisans Tezi, İzmir, 1-138.
49. 49. Aneke, M.C., 2012. Optimising Thermal Energy Recovery, Utilisation and Management in the Process Industries, University of Northumbria, Master’s Thesis, 1-210.
50. 50. Manno, M., 2017.Adsorbent Materials for Low-Grade Waste Heat Recovery: Application to Industrial Pasta Drying Processes, Energy Journal, 140, 729-745.
51. 51. Eyriboyun, M., 2017.Çatalağzı Termik Elektrik Santrali ile Bölgesel Isıtma Yapılabilirliğin Enerji Analizi, Isı Bil. ve Tek. Dergisi, 37(1), 139-146.
52. 52. Enç, V., Kasırga, M., 2012. Depo Gazı Enerji Üretim Tesisi Baca Gazı Atık Isısının Seralarda Değerlendirilmesi: İstanbul Örneği, Tarih Kültür ve Sanat Araştırmaları Dergisi, 1(4), 298-309.
53. 53. Çengel, Y.A., Boles, M.A., 2006.Thermodynamics an Engineering Approach, McGraw- Hill, USA, 1-865.
54. 54. Terhan, M., Çomaklı, K. 2015. Baca Gazi Atik Isisi Ile Kazan Yakma Havasinin Ön Isitilmasinin Fizibilitesi. Engineer & The Machinery Magazine, 56, 668.
55. 55. Incropera, F.P., DeWitt, D.P., 1996, Introduction to Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York, 1-959.
56. 56. Cortina, M., 2006. Flue Gas Condenser for Biomass Boilers, Lulea University of Technology Department of Applied Physics and Mechanical Engineering, Master’s Thesis, Sweden, 1-76.
57. 57. Gnielinski, V.., 2010. Heat Transfer in Cross Flow Around Single Rows of Tubes and Through Tube Bundles, in VDI Heat Atlas, ed. VDI, Springer Verlag, Berlin, Germany, 725-729.
58. 58. Çengel, Y.A., 2011. Isı ve Kütle Transferi, Güven Bilimsel Yayınları, İzmir.
59. 59. Kakaç, S., Liu, H., 1998. Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design, CRC Press, New York, 1-676.
60. 60. Chen, Q., Finney, K., Li, H., Zhang, X., Zhou, J., Sharifi, V., Swithenbank, J., 2012. Condensing Boiler Applications in the Process Industry, Applied Energy, 89, 30- 36.
61. 61. Gaddis, E.S., 2010. Pressure Drop of Tube Bundles in Cross Flow, in VDI Heat Atlas, ed. VDI, Springer Verlag, Berlin, Germany, 1076-1091.
62. 62. Hazell, D.D., 2011. Modeling and Optimization of Condensing Heat Exchangers for Cooling Boiler Flue Gas, Lehigh University, Department of Mechanical Engineering, Master’s Thesis, 1-109.
63. 63. Okka, O., 2006. Mühendislik Ekonomisine Giriş Problemler ve Çözümleri, Nobel Yayın Dağıtım, Ankara, 1-334.