Endüstriyel bisküvi fırınının termodinamik, maliyet analizi ve atık ısı geri kazanımı
Thermodynamic and economic analysis of industrial biscuit oven and waste heat recovery
Yazar: MURAT ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. MERVE ŞENTÜRK ACAR
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik ve Isı Tekniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Atık ısı = Waste heat ; Bisküvi endüstrisi = Biscuit industry ; Ekonomik analiz = Economic analysis ; Organik rankine çevrim sistemleri = Organic rankine cycle systems ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis

Özet:
Bisküvi pişirme fırınları nihai ürün maliyetini düşürmek ve üretim kapasitesini arttırmak için tünel tip olarak üretilmektedir. Tünel tip bisküvi fırınları konveyör şeklinde tasarlanır ve bisküvi tipine göre konveyör bandı olarak tel örgü bant veya sac bant kullanılır. Tünel tip bisküvi fırınlarında tünelin bir ucundan hamur olarak giren ürün tünelin diğer ucundan da pişmiş ürün olarak çıkmaktadır. Bu çalışmada bisküvi fırını akış şeması oluşturularak her bir düğüm noktası için termodinamik analiz yapılmıştır. Analiz sonucunda bisküvi fırınının enerji veriminin %3,90 olduğu tespit edilip harcanan enerjinin %49,35'inin atık ısı olarak bacadan atmosfere salındığı tespit edilmiştir. Bacadan atmosfere salınan atık gazların özellikleri dikkate alınarak organik rankine çevrimi (ORC) tasarımı yapılmıştır. Baca gazları organik rankine çevriminden geçirilerek elektrik enerjisi üretimi amaçlanan çalışmada organik rankine çevrimi tasarımı yapılarak net bugünkü değer (NBD) yöntemi ile organik rankine çevriminin maliyet analizi yapılmıştır. Sistemin çalışma ömrünün 20 yıl olarak kabul edildiği tasarım sonucunda iş akışkanı olarak R113'ün kullanılan çevrimde 58,62 kW elektrik enerjisi üretilip net bugünkü değeri (NBD) 1,979 milyon $ olarak hesaplanmıştır. Bisküvi fırınına yapılan Organik Rankine Çevrimi (ORC) yatırımı ile elektrik enerjisi üretilmesi durumunda bisküvi fırınının enerji verimi %3,90'dan %11,04'a yükseldiği, bisküvi fırınının ekserji verimi ise %0,5'den %6,22'ye yükseldiği görülmüştür. Alternatif olarak baca gazları eşanjörden geçirilerek bir başka fırının pişirme havasının 200 ℃'ye kadar ısıtılması sağlanmıştır. Isıtılan hava ile bisküvi ve kek pişirmesi amaçlanmıştır. Atık ısının kullanılarak pişirme havasının ısıtılması sonucunda 331,58 kW enerji tasarrufu sağlanırken 29,6 𝑚3/𝑠𝑎𝑎𝑡 doğalgaz tasarrufu bir başka ifade ile %38,2 oranında yakıt tasarrufu sağlanmıştır. Bisküvi fırınının enerji verimini %3,9'dan %44,29'a yükselttiği, bisküvi fırınının ekserji veriminin ise %0,5'den %32,87'ye yükseldiği görülmüştür.

Abstract:
Biscuit baking ovens are produced as tunnel type to reduce the cost of final product and increase the production capacity. Tunnel type ovens are designed in the form of conveyor and wire mesh or steel belt is preferred as a carrier element according to the biscuit type. In tunnel type biscuit ovens, the product that enters as dough from one end of the tunnel comes out as a cooked product from the other end of the tunnel. Thermodynamic analysis of each nodal point of biscuit oven is done according to biscuit oven flow chart. As a result of the analysis, it is determined that energy efficiency of the biscuit oven is 3.90% and 49.35% of the energy consumption is released as a waste heat from chimney to the atmosphere. Organic rankine cycle (ORC) is designed according to the parameter of waste flue gasses. In this study, producing electricity energy is aimed by passing waste flue gasses through organic cycle. Organic rankine cycle is designed by using net present value method (NPV). As a result of design which is done for 20 years of service life of equipment, 58.62 kW of electrical energy is produced in the organic rankine cycle by using R113 as a working fluid and net present value (NPV) is evaluated as 1.979 million US dollars. It has been observed that the energy efficiency of the biscuit oven increased from 3.90% to 11.04% and the exergy efficiency of the biscuit oven increased from 0.5% to 6.22% by generating electricity energy with organic rankine cycle (ORC) investment. Alternatively, waste flue gasses passed through a heat exchanger to heat baking air of another oven to 200 ℃. Biscuit and cake baking is aimed by generating heat from heat exchanger. As a result of waste heat recovery with heat exchanger 331.58 kW of energy is gained and 29.6 𝑚3/ℎ𝑜𝑢𝑟 natural gas saved. In other word, 38.2% fuel consumption is reduced, energy efficiency of the often increased from 3.90% to 44.29% and exergy efficiency of the oven is increased from 0.5% to 32.87%.