Isı borusu tabanlı bir atık ısı geri kazanım uygulaması
A heat pipe based waste heat recovery application
Yazar: OYA YAŞAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerji iş yapabilme kapasitesidir. Yaşamımızın vazgeçilmez bir parçasıdır. Hayati önem taşıyan bu kavram ne yazık ki sınırsız değildir. Artan dünya nüfusu, ülkelerin ekonomik ve siyasi politikaları ve sanayileşme enerji kaynaklarının yavaş yavaş tükenme noktasına gelmesine neden olmuştur. Bu azalma enerjinin nasıl verimli kullanılabileceğini sorgulatmıştır. 
Atık Isı Geri Kazanımı (Waste Heat Recovery - WHR), çeşitli endüstriyel süreçlerden veya ısı üretilen ancak etkili bir şekilde kullanılmayan diğer kaynaklardan ortaya çıkan ısıyı yakalama ve kullanma sürecidir. Atık ısı geri kazanımının amacı, bu başka türlü boşa giden ısıl enerjiyi elektrik, buhar veya sıcak su gibi kullanışlı formlara dönüştürmektir. Böylece, endüstriler enerji verimliliğini artırabilir, enerji maliyetlerini azaltabilir ve çevresel etkilerini en aza indirebilir. Atık ısı geri kazanım sistemleri genellikle ısı değiştiricilerin kullanımını içerir. Bu, yakalanan ısıyı çeşitli uygulamalar için kullanılabilecek bir çalışma akışkanına transfer eder. 
Atık ısı kaynakları arasında endüstriyel süreçlerden gelen egzoz gazları, güç üretiminde motor egzozları ve imalat süreçlerinde oluşan ısı yer almaktadır. Kazan ve fırınların yanma odası besleme havasının ısıtılmasında kullanılan reküparatörler, sıcaklık farkı altında gerilim indükleyen yarı iletken bazlı termoelektrik jeneratörler, düşük entalpi bölgesindeki düşük kaynama noktaya sahip sıvıların kullanıldığı organik Rankine çevrimi içeren güç santralleri, soğutma çevrimi içeren absorpsiyonlu soğutucular ve genel olarak yüksek verimli ısı pompaları, atık ısı geri kazanım teknolojilerinin kullanıldığı sistemlere örnek olarak verilebilir. 
Isı boruları, ısıyı bir yerden başka bir yere transfer etmek için faz değişimi prensiplerine dayanan yüksek verimli ısı transfer cihazlarıdır. Bir ısı borusu genellikle bir çalışma akışkanını içeren vakum altında kapatılmış bir tüp veya konteynerden oluşur. Isı borusu, çalışma akışkanının sıvı fazdan buhar fazına ve geri dönmesi esasına dayanır. Sırasıyla, ısı kaynağından gelen ısının, ısı borusunun buharlaştırıcı bölümünde çalışma akışkanının buharlaşması, buharlaşan sıvının, ısı borusunun daha serin ucuna ilerleyerek ısıl enerjinin ısı kaynağından uzaklaştırılması, soğutucu bölümde buharın, ısısını bırakıp sıvıya dönüşmesi ve kılcallık etkisi ile sıvının buharlaştırıcıya geri göndermesi süreçlerini içerir. Bu döngünün tekrar edildiği ısı boruları, sıcaklık düşüşünü minimumda tutarak uzun mesafelerde ısı transfer etme yetenekleri nedeniyle, elektronik soğutma, uzay aracı termal kontrolü ve endüstriyel atık ısı geri kazanım sistemleri gibi uygulamalarda verimli bir şekilde kullanılır. Uygulamalarda ısı borusu performansının daha da iyileştirilmesi amacıyla iç yapısında malzeme ve tasarım bağlı çalışmalar gerek sayısal gerekse deneysel olarak yürütülmeye devam etmektedir. 
Özellikle atık ısı geri kazanım uygulamalarında etkinlik değeri yüksek ısı değiştiricileri kilit rol üstlenmektedir. Bu noktada oldukça yüksek ısıl iletkenlikleri, harici enerji kaynağına ihtiyaç duymayan pasif çalışma koşulları, yüzey boyunca neredeyse sabit sıcaklık profili, hafif ve kompakt oluşları, uzun ömürleri, kriyojenik bölge ile yüzlerce dereceye ulaşabilen yüksek sıcaklık bölgesi arasında geniş çalışma aralığı, düşük maliyetli ve çevreye duyarlı olması gibi birçok avantajı nedeniyle ısı boruları, ısı değiştiricisi teknolojilerinde geleceğinde önemli bir yere sahip olacaktır.    
Bu çalışmada, çelik endüstrisinde kullanılan tavlama fırınlarının bacalarından çıkan atık ısıdan sıcak su eldesi için klasikleşmiş yöntemlerden çok daha hızlı bir şekilde ısı ve enerjiyi başka bir yere taşıyabilen ısı borularının kullanıldığı bir ısı değiştirici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Söz konusu fabrikada bulunan tünel tipi tavlama fırınının baca gazındaki atık ısı tasarımı yapılan ısı değiştiricisi ile üretimin son aşaması olan yıkama tünelinde kullanılacak suyun istenilen sıcaklık değerine kadar ısıtılması planlanmaktadır. Bu aşamada yıkama tünelinde kullanılan sıcak su kazanlarındaki suyun ısıtılması için söz konusu yüksek sıcaklıktaki atık gaz ile düşük sıcaklıktaki su hattı arasında tasarımı yapılacak ısı borulu eşanjörün tasarım parametreleri ele alınmıştır.
İlk aşamada tekil bir ısı borusunun literatürde yer alan modeller yardımıyla toplam ısıl direnç değeri hesaplanmıştır. Isı borusunun evaporatör ve kondenser bölümlerinin dış akış ve iç akış kısımlarında taşınım malzeme boyunca iletimle olan ısı transferi ile ısı borusu içindeki gerçekleşen faz geçişi göz önüne alınarak toplamda yedi adet ısıl direnç devresi kurularak toplam ısıl direnç belirlenmiştir.  
İkinci aşamada ise yıkama suyu sıcaklığı talebi ve baca gazı sıcaklığı bilgilerinden hareketle ısı değiştiricisinde kullanılacak gerekli ısı borusu sayısı ve konfigürasyonu belirlenmiştir. Bu bağlamda literatürde sıklıkla kullanılan ortalama logaritmik sıcaklık farkı (LMTD) ve ısı etkinlik – transfer birim sayısı (-NTU) adlı iki farklı yaklaşım ele alınarak konvansiyonel olmayan bu ısı değiştiricine ait tasarım parametreleri hesaplanmıştır. Çıkış sıcaklık değerleri belirli olmadığından öncelikle belli kabuller altında -NTU metodu ile ısı akısı ve çıkış sıcaklıkları belirlenmiş sonrasında ise LMTD yönteminde hesaplana ısı akısı değerine yaklaştıran ortalama düzeltme faktörü elde edilmiştir. Modellerde yapılan kabullerin, tasarım aşamasına etkisi ayrıca incelenmiştir. 
Son bölümde ise bu tasarım için analitik modeller yardımıyla ısıl performansa etkiyen faktörlerin parametrik analizi yapılmıştır. Atık baca gazına ait kütlesel debi değerinin ısı değiştiricisi etkinliğine etkisi incelenmiştir. Ek olarak daha düşük atık hava sıcaklıklarının yıkama suyu çıkış sıcaklığı değerine etkisi tartışılarak farklı tasarım parametreleri için ilgili değer aralıkları saptanmıştır.  
Bu tez çalışması, atık ısı geri kazanımının endüstriyel üretim sektöründe ısıl talebin beraberinde getirdiği maliyetlerin azaltılması, çevreye daha duyarlı bir üretimin sağlanması, kaynak tasarrufunun arttırılması gibi yararların daha geniş bir ölçekte yayılmasına katkı sağlayacak sistemlerin ana bileşeni olan ısı değiştiricilerinde konvansiyonel türlere alternatif olarak ısı borularının kullanılmasının önemini vurgulamaktadır. Gelecek çalışmalar kapsamında ise ısı borusu tabanlı ısı değiştiricisinin sayısal model ile deneysel yapılacak prototip çalışmaları ise uygulamanın hayata geçirilmesi hedeflenmektedir.

Abstract:
Energy is the capacity to do work. It is an indispensable part of our life. Unfortunately, this vitally important concept is not unlimited. Increasing world population, economic and political policies of countries and industrialization have caused energy resources to come to the point of depletion gradually. This decrease has questioned how energy can be used efficiently. In this study, the performance of heat pipes, which can transport heat and energy to another place much faster than classical methods, for obtaining hot water from waste heat from the chimneys of annealing furnaces used in the steel industry was investigated.
Waste Heat Recovery (WHR) is a process of capturing and utilizing heat that is generated as a byproduct of various industrial processes or from other sources where heat is produced but not effectively utilized. The goal of waste heat recovery is to convert this otherwise wasted thermal energy into useful forms, such as electricity, steam, or hot water. By doing so, industries can improve energy efficiency, reduce energy costs, and minimize their environmental impact.
Waste heat recovery systems typically involve the use of heat exchangers, which transfer the captured heat to a working fluid that can then be used for various applications. Common sources of waste heat include exhaust gases from industrial processes, engine exhaust in power generation, and heat generated in manufacturing processes. 
Recuperators used to heat the combustion chamber supply air of boilers and furnaces, semiconductor-based thermoelectric generators that induce voltage under temperature differences, power plants containing the organic Rankine cycle using liquids with low boiling points in the low-ethalpy region, absorption coolers containing a refrigeration cycle, and generally high-efficiency heat pumps. are examples of systems where waste heat recovery technologies are used.
Heat pipes are highly efficient heat transfer devices that rely on the principles of phase change to transfer heat from one location to another. A heat pipe typically consists of a sealed, evacuated tube or container containing a working fluid, usually in a liquid phase. The heat pipe operates based on the phase transition of the working fluid from liquid to vapor and back. It includes the processes of evaporation of the working fluid in the evaporator section of the heat pipe by the heat coming from the heat source, the removal of thermal energy from the heat source by moving the evaporated liquid to the cooler end of the heat pipe, the vapor in the cooler section, giving up its heat and turning into liquid, and sending the liquid back to the evaporator with the capillarity effect. 
Heat pipes, in which this cycle is repeated, are known for their ability to transfer heat over long distances with minimal temperature drop, making them efficient for applications like electronics cooling, spacecraft thermal control, and industrial heat recovery systems. In the context of waste heat recovery, heat pipes can enhance the efficiency of heat exchange processes by efficiently transferring heat from the waste heat source to the desired application, contributing to overall energy savings. Heat exchangers with high efficiency play a key role, especially in waste heat recovery applications. 
At this point, they have very high thermal conductivity, passive operating conditions that do not require an external energy source, almost constant temperature profile along the surface, lightness and compactness, long life, wide operating range between the cryogenic zone and the high temperature zone that can reach hundreds of degrees, low cost and environmentally friendly. Heat pipes will have an important place in the future of heat exchanger technologies due to their many advantages.
Wickless heat pipes, are passive heat recovery devices. They consistof hollow tubes filled with a working fluid in both liquid and vapour phase. As heat is applied to the pool of fluid at the bottom nearly one third  of the pipe, called evaporator, the fluid evaporates and travels to the top of the pipe. By having a colder stream make contact with the top section of the pipe, the cooler walls at the top of the heat pipe cause the fluid to condense and, due to the action of gravity, travel back to the bottom of the heat pipe in liquid form. This is a continuous process that takes place as long as there is a temperature difference between the evaporator and the condenser of the heat pipe. When working at full capacity, if there are no non-condensable gases present inside the heat pipe, it operates nearly isothermally, with little difference in temperature between the top and bottom of the heat pipe. This is also the reason the heat pipe is often referred to as a superconductor.
In this study, a heat exchanger design was carried out using heat pipes that can transport heat and energy to another place much faster than classical methods to obtain hot water from the waste heat coming out of the chimneys of annealing furnaces used in the steel industry. It is planned to heat the water to be used in the washing tunnel, which is the last stage of production, to the desired temperature value with the heat exchanger designed for the waste heat in the flue gas of the tunnel type annealing furnace in the factory. At this stage, the design parameters of the heat pipe exchanger to be designed between the high temperature waste gas and the low temperature water line for heating the water in the hot water boilers used in the washing tunnel are discussed.
In the first stage, the total thermal resistance value of a single heat pipe was calculated with the help of models in the literature. The total thermal resistance was determined by establishing a total of seven thermal resistance circuits, taking into account the heat transfer through the convection material and the phase transition within the heat pipe in the external flow and internal flow sections of the evaporator and condenser sections of the heat pipe.
Secondly, the required number and configuration of heat pipes to be used in the heat exchanger were determined based on the washing water temperature demand and flue gas temperature information. In this context, the design parameters a non-conventional heat exchanger were calculated by considering  two different approaches, namely mean logarithmic temperature difference (LMTD) and effectiveness – number of transfer unit (-NTU) methods are used which are frequently used in the literature.
Since the outlet temperature values are not certain, firstly, the heat flux and outlet temperatures were determined with the -NTU method under certain assumptions, and then the average correction factor was obtained, which brings it closer to the heat flux value calculated in the LMTD method. The effects of the assumptions made in the models on the design phase were also examined. 
In the last section, parametric analysis of the factors affecting thermal performance was made with the help of analytical models for this design. The effect of the mass flow rate of waste flue gas on the heat exchanger efficiency was examined. In addition, the effect of lower exhaust air temperatures on the washing water outlet temperature value was discussed and the relevant value ranges were determined for different design parameters.
This thesis study aims to examine the use of heat pipes as an alternative to conventional types in heat exchangers, which are the main components of systems that will contribute to the spread of waste heat recovery on a larger scale, such as reducing the costs brought by thermal demand in the industrial production sector, ensuring a more environmentally friendly production, and increasing resource savings. emphasizes the importanceWithin the scope of future studies, it is aimed to implement the experimental prototype studies of the heat pipe-based heat exchanger with a numerical model.