Meryem TERHAN, Emre ÖZAĞDAŞ, Muhammed Arslan OMAR

Ekonomizer, yoğuşmalı ekonomizer ve hava ön ısıtıcı tasarımları ile atık ısı geri kazanımının enerji ve ekonomik değerlendirilmesi

Bu çalışmada, Kafkas Üniversitesi, bölgesel ısıtma sistemindeki kazanlardan çıkan baca gazlarının atık ısı kaybının yapılan yanma analizine göre yaklaşık % 6-8 arasında ve bu kayıp ısının yıllık giderinin 58.658,79 $ olduğu hesaplanmıştır. Enerji verimliliği ve ülke ekonomisi açısından bu kayıp enerjinin mümkün olduğunca geri kazanılarak yakıt ve enerji tasarrufu elde edilmesi gerektiği düşünülmektedir. Hava fazlalık katsayısı, baca gazı sıcaklığı, kazan kapasitesi ve yakıt tüketimi gibi değişkenlerin atık baca gazı enerjisinin ısı geri kazanımına olan etkileri detaylıca incelenmiştir. Bu kayıp enerjiden mahal ısıtmasında, sıcak su eldesinde ve kazan yakma havasının ısıtılmasında yararlanılması gibi birkaç ısı geri kazanım yöntemi sunulmuş, bu yöntemlerin uygulanabilirliği termodinamik ve ekonomik açıdan araştırılmıştır. Konukevi binasının sıcak su ihtiyacının karşılanması için incelenen 2. yöntemin 20 yıllık ekonomik ömrü boyunca sağlayacağı enerji tasarrufu 122.820,83 $ olup yöntemler arasında en yüksek tasarruf gelirine sahiptir. Ayrıca, bu yöntemle baca gazı kaybının yaklaşık %50’sini geri kazanmak mümkündür. Buna karşılık kazan yakma havasının atık ısıyla ısıtılması yöntemi, geri ödeme süresinin sadece 1 yıl olması ve ekstra kazı ve boru maliyetlerinin olmaması sebebiyle uygulanması en kolay ve en ekonomik yöntemdir.

Anahtar Kelimeler:

enerji verimliliği, ısı geri kazanım üniteleri, yoğuşmalı ekonomizer, hava ön ısıtıcısı, ekonomik analiz

Energy and economic assessments of waste heat recovery by designs of economizer, condensing economizer and air preheater

In this study, waste heat loss of flue gases from the boilers in Kafkas University district heating system has calculated between 6-8% according to the combustion analysis and annual cost of this heat loss has found as $58,658.79. In terms of energy efficiency and national economy, it has thought that this lost heat should recover as much as possible and fuel and energy savings should be achieved. The effects of variants such as air excess coefficient, flue gas temperature, boiler capacity and fuel consumption on the heat recovery from flue gas have presented in detail. The heat recovery scenarios have presented for reusing this waste energy for the space heating, domestic hot water, preheating combustion air and applicability of these scenarios has been investigated in terms of thermodynamics and economics. In the second scenario examined to cover the domestic hot water need of the guest house building, the energy savings of the scenario will provide during 20 years of economic's life is $122,820.83, and it has the highest savings income among the scenarios. In addition, it is possible to recover approximately 50% of the flue gas loss with thanks to the scenario. On the other hand, the third scenario of heating the boiler combustion air with waste heat is the easiest and most economical scenario because its payback period is only one year, and there are no extra excavation and pipe costs.

Keywords:

energy efficiency, heat recovery units, condensing economizer, air preheater, economic analysis,

PDF

___

1] B. Rosti, A. Omidvar, N. Monghasemi, “Optimal insulation thickness of common classic and modern exterior walls in different climate zones of Iran”, Journal of Building Engineering, 27, 100954, (2020)
[2] M. Kayfeci, “Determination of energy saving and optimum insulation thicknesses of the heating piping systems for different insulation materials”, Energy and Buildings, 69, 278-284, (2014).
[3] A. Keçebaş, “Determination of optimum insulation thickness in pipe for exergetic life cycle assessment”, Energy Conversion and Management, 105, 826-835, (2015).
[4] U. Ilhan, “Optimum insulation thickness for pipes in district heating systems”, Journal of Mechanical and Energy Engineering, 42, 225-232, (2018).
[5] A. R. Mazhar, S. Liu, A. Shukla, “A state of art review on the district heating systems”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 96, 420-439, (2018).
[6] A. Lake, B. Rezaie, S. Beyerlein, “Review of district heating and cooling systems for a sustainable future”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 67, 417-425, (2017).
[7] M. A. Sayegh, J. Danielewicz, T. Nannou, M. Miniewicz, P. Jadwiszczak, K. Piekarska, “Trends of European research and development in district heating technologies”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 68, 1183-1192, (2017).
[8] P. Jie, Z. Tian, S. Yuan, N. Zhu, “Modeling the dynamic characteristics of a district heating network”, Energy, 39 (2012) 126-134.
[9] G. Ertem, B. Çelik, S. Yeşilyurt, “Endüstriyel tav fırınlarında ısı denkliği hesaplamaları ve enerji verimliliğinin belirlenmesi” IV. Ege Enerji Sempozyumu, İzmir, (2008).
[10] M. Terhan, “Doğalgaz yakıtlı bir kazanda baca gazından enerji geri kazanımı ve yoğuşma olayının enerji, ekserji ve ekonomik yönden incelenmesi”, Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi, Erzurum, Türkiye, (2015).
[11] Sinanoğlu, U., Esen D.Ö. ve Karakaş E., “Enerji ekonomisi açısından geri kazanım sistemleri” TMMOB 1. Enerji Sempozyumu, Ankara, (1996).
[12] Che, D., Da Y ve Zhuang Z., “Heat and mass transfer characteristics of simulated high moisture flue gases, Heat Mass Transfer, 41, 250- 256, (2005).
[13] F. Pena, J. M. Blanco, “Evaluation of the physical dew point in the economizer of a combined cycle burning natural gas”, Applied Thermal Engineering, 27, 2153-2158, (2007).
[14] Levy, E,., Bilirgen, H., Jeong K., Kessen M.J, Samuelsen C., ve Whitcombe, C., “Recovery of water from boiler flue gas”, Final Technical Report, Lehigh University, Energy Research Center, Bethlehem, (2008).
[15] Jeong, K,. Kessen, M.J, Bilirgen, H., ve Levy, K.E., 2010 “Analytical modeling of water condensation in condensing heat exchanger”, International Journal of heat and Mass Transfer, 53, 2361- 2368, (2010).
[16] Hill, J.M., “Study of low-grade waste heat recovery and energy transportation systems in industrial applications”, Master of Science, Alabama University, Department of Mechanical Engineering, Alabama, (2011).
[17] Chen, Q., Finney K.,Li, H., Zhang X., Zhou J., Sharifi V. ve Swithenbank J., “Condensing boiler applications in the process industry”, Applied Energy, 89, 30- 36, (2012).
[18] Li, J,. Saraireh, M., ve Thorpe, G., “Condensation of vapor in the presence of non-condensable gas in condensers”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54, 4078- 4089, (2011).
[19] Alkhamis, T.M., Alhusein M.A. ve Kablan M.M., “Utilization of waste heat from the kitchen furnace of an enclosed campus”, Energy Conversion and Management, 10, 1113- 1119, (1998).
[20] Bhattacharjee, K., “ Energy conservation oppurtunities in industrial waste heat recovery systems”, Energy Engineering, 107, 7-13, (2010).
[21] Bujak, J., “Mathematical modelling of a steam boiler room to research thermal efficiency”, Energy, 33, 1779- 1787, (2008).
[22] DeFrees J. ve Stuckey R.,, 2007. “Condensing economizers”, Ashrae Journal, 16- 23, (2007).
[23] Hwang, K,. Song, C.H, Saito, K., ve Kawar, S., “Experimantal study on titanium heat exchanger used in a gas fired water heater for latent heat recovery”, Applied Thermal Engineering, 30, 2730- 2737, (2010).
[24] Shi, X., Che D.,Li, H., Agnew B. ve Gao J., “An investigation of the performance of compact heat exchanger for latent heat recovery from exhaust flue gases”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54, 606- 615, (2011).
[25] P. Xiao, Y. Zhang, Y. Wang, J. Wang, “Analysis of an improved economizer system for active control of the coal-fired boiler flue gas temperature”, Energy, 170, 185-198, (2019).
[26] W. Tang, H. Feng, L. Chen, Z. Xie, J. Shi, “Constructal design for a boiler economizer”, Energy, 223, 120013, (2021).
[27] C. R. Babu, P. Kumar, S. Roy, D. Kanungo, “CFD analysis of an economizer for heat transfer enhancement using serrated finned tube equipped with variable fin segments”, Materials Today: Proceedings, 45, 222-230, (2021).
[28] S. Chantasiriwan, “Optimum installation of economizer, air heater, and flue gas dryer in biomass boiler”, Computers and Chemical Engineering, 150, 107328, (2021).
[29] M. Terhan, “Yoğuşmalı ısı geri kazanım cihazlarının tasarımına çiğlenme noktası sıcaklıklarının etkisinin yakıt tiplerine göre araştırılması”, Politeknik Dergisi, 24(1), 31-38, (2021).
[30] K. Comakli, M. Terhan, “Energy and economic analysis of heat recovery from boiler exhaust flue gas”, International Journal of Energy and Power Engineering, 10(4), 450-458, (2016).
[31] M. Terhan, K. Comakli, “Baca gazı atık ısısı ile kazan yakma havasının ön ısıtılmasının fizibilitesi”, Mühendis ve Makina, 56, 56-63, (2015).
[32] O. Okka, Mühendislik ekonomisi, Nobel Yayın Dağıtım, 563 s, (2006).