Endüstride ısı pompası kullanılarak atık ısıdan ısı geri kazanımının teorik ve deneysel incelenmesi

Abstract

Enerjinin yetersizliği ve var olan kaynakların çevreye olan zararları, enerji konusundaki araştırmaları güncel ve önemli kılmaktadır. Bu nedenle enerji tasarrufu sağlayıcı tekniklerin bulunması, araştırılması ve geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. Bu kapsamda gelişmiş ülkelerdeki üniversitelerde ve sanayide belirtilen konularda teorik ve deneysel araştırma ve geliştirme çalışmaları sistemli ve planlı bir şekilde sürdürülmektedir. Gelişmiş ülkelerde; ısı pompaları, konfor amaçlı kullanımın yanında, endüstride kurutma işlemlerinde ve atık sıvıdan ısı geri kazanım amaçlı yaygın olarak kullanılmaktadır. Ülkemizde ısı pompalarının konfor amaçlı uygulamaları belli oranda yaygınlaşırken, endüstriyel alanlarda ısı geri kazanımı için ısı pompası uygulamaları oldukça sınırlıdır. Bu nedenle, yapılan bu doktora tezinin amacı, ülkemizde endüstride mevcut atık sıvıların ısısından ve kurutma proseslerinden atılan nemli ve sıcak havadan ısı geri kazanımında, klasik yöntemler yerine ısı pompası kullanımın yaygınlaşmasına katkıda bulunmaktır. Bu amaç doğrultusunda, endüstride enerji tasarrufuna katkı sağlamak amacıyla iki farklı endüstriyel uygulama için iki farklı prototip ısı pompası deney tesisatı tasarlandı ve kuruldu.Birinci çalışmada, endüstride kurutma proseslerinde kurutma odasından ayrılan nemli ve sıcak havanın ısısından ısı geri kazanmak amacıyla kurulan prototip ısı pompası deney tesisatı, iki farklı hava debisi ve farklı by-pass oranları için test edildi. Bu sistemin performansı ve performansına etki eden parametreler ayrı ayrı incelendi. Ayrıca, bu tip uygulamalar için ısı pompası tasarımında dikkat edilmesi gereken parametreler tespit edildi. İkinci çalışmada ise, endüstride bir çok proses sonucu açığa çıkan ve drenaja atılan (30-50 °C) aralığında düşük sıcaklıklarda atık sıvılar mevcuttur. Bu atık sıvıların ısısından yararlanmak amacıyla kurulan prototip ısı pompası deney tesisatı, iki farklı kompresör hızı için, farklı atık sıvı debi ve sıcaklıklarında test edildi. Bu sistemin performansı ve performansa etki eden parametreler incelendi. Ayrıca, bu tip uygulamalar için ısı pompası tasarımında göz önüne alınması gereken parametreler tespit edildi.Her iki çalışma için matematik modelleme geliştirildi ve elde edilen teorik sonuçlar deneysel sonuçlarla karşılaştırıldı. Elde edilen teorik sonuçların deneysel sonuçlar ile uyum içerisinde olduğu tespit edildi. Son olarak, her iki sistem için basit bir ekonomik analiz yapıldı ve elde edilen sonuçlara göre, her iki uygulama için de ısı pompası kullanımının oldukça verimli olduğu görüldü.

Lack of energy and harm of supply energy sources to environment makes researches on energy actual and important, and exploring, researching and developing of energy saving techniques become mandatory. In this context, theoretical and experimental investigations on these subjects at universities and industry in developed countries have been carrying on systematic and planned manner. In the developed countries, heat pumps are used extensively not only for comfort but also heat recovery from drying process and waste liquid. While the heat pump becomes widespread in some degree, unfortunately there are a few heat pump applications to heat recovery in the industry in our country. For this reason, aim of this study, is to contribute use of the heat pump for heat recovery from waste liquid and hot and humid air from drying process instead of classic methods. For this purpose, two different prototype experimental facilities were designed and constructed to contribute energy saving in the industry. Firstly, the prototype heat pump-assisted dryer (HPD) unit constructed to heat recovery from hot and humid air from the drying process was tested for two different air flow rate and by-pass (BAR) ratio to investigate system? s performance and parameters that affect the performance. Also, the parameters to be considered to design of the HPD unit were identified. Secondly, there are many waste liquids discharged to sewage in the industry at about 30-50°C from the many process. The prototype HPD unit constructed to heat recovery from these waste liquids was tested for two different compressor speed at different waste liquid flow rates and temperatures. The performance of the system and parameters that affected the performance were investigated. Also, the parameters to be considered to design of the HPD unit were identified for these applications. Mathematical models were developed for both studies and theoretical results were compared with experimental results. It was found out that the theoretical results were in good agreement with experimental results. Finally, a basic economic analysis was carried out for both studies and according to the results obtained from economic analysis, it was also shown that using heat pump for both studies was very efficient.