Bir ekonomizer tasarımı ve nümerik analizi
An economizer design and numerical analysis
Yazar: NİHAL ÇAKAR
Danışman: PROF. DR. UĞUR AKYOL
Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: ANSYS = ANSYS ; Atık ısı = Waste heat ; Ekonomizör = Economizer ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Yeniden kazanma = Recycling

Özet:
Atık ısı ile birlikte kazan besi suyunun ısıtılmasını ve enerji geri kazanımını sağlayan ısı değiştiricileri ekonomizer olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada, atık ısının sisteme geri kazandırılma yöntemleri ve ekonomizer uygulamaları detaylı olarak ele alınmıştır. Fırından çıkan atık baca gazı ısısından yararlanılarak bir ekonomizer tasarımı, teorik hesaplamaları ve nümerik analizi yapılmıştır. Tasarımda, bir kablo firmasında kullanılan yanma testi fırınına ait veriler kullanılmıştır. Duman gazından suya olan ısı transferinde, duman gazı tarafındaki ısı iletim katsayısının su tarafına göre düşük olması sebebi ile ekonomizer tasarımında kendinden kanatçıklı serpantinler kullanılarak ısı geçiş miktarı arttırılmıştır. Ekonomizer tasarımı hesaplamalarında, logaritmik ortalama sıcaklık farkı ve ε - NTU metotlarından yararlanılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda, 288,24 m^2 yüzey alanına sahip ve kendinden kanatçıklı 120 adet serpantinden oluşan, 6 geçişli ve 5 sıralı bir ekonomizer tasarlanmıştır. Ekonomizerde kullanılan ısı değiştiricinin etkenliği 0,71 olarak hesaplanmıştır. Boru ve kanatçıklarda kullanılan materyal, ısıl iletkenlik katsayısının yüksek olması sebebi ile bakır olarak seçilmiştir. 20°C'de sıcaklığında ve 500 litre boiler tankında bulunan su, tasarlanan ekonomizer ile birlikte 60°C sıcaklığa 435 saniyede arttırılmıştır. Yanma testi fırını, her bir kablo grubu için 25 dakika çalışmaktadır. Tasarımı özgün kılan noktalardan birisi, ekonomizer yardımı ile yaklaşık 7 dakikada ısının sisteme geri kazandırılmasıdır. Ekonomizer sisteme dâhil edildiğinde baca gazı sıcaklığının 71,2°C'den 50°C'ye azaldığı görülmektedir. Böylece, baca gazı soğutularak daha düşük bir sıcaklıkta atmosfere atılacaktır. Tasarımı ve teorik hesabı yapılan ekonomizerin, ANSYS CFD programında sonlu elemanlar yöntemi ile birlikte nümerik analizi yapılmıştır. Teorik hesaplama sonuçları ve nümerik analiz sonuçlarının uyum içerisinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
The heating of boiler feed water together with waste heat and heat exchangers that provide energy recovery are called economizers. In this study, waste heat recovery methods and economizer applications are discussed in detail. Economizer design, theoretical calculations and numerical analysis were made by using the heat of the waste flue gas from the furnace. In the design, the data of the combustion test furnace used in a cable company were used. In the heat transfer from the flue gas to the water, the heat transfer rate is increased by using self-finned serpentines in the economizer design since the heat transfer coefficient on the flue gas side is very low compared to the waterside. The mean logarithmic temperature difference and ε - NTU methods were used in the economizer design calculations. As a result of the calculations, a 6-pass and 5-row economizer with a surface area of 288.24 m^2 and consisting of 120 self-finned serpentines was designed. The efficiency of the heat exchanger used in the economizer was calculated as 0.71. The material used in the pipes and fins was chosen as copper due to its high thermal conductivity coefficient. The water in the 500-liter boiler tank at 20°C was increased to 60°C in 435 seconds with the designed economizer. The combustion test furnace runs for 25 minutes for each cable group. One of the points that make the design unique is that the heat is restored to the system in approximately 7 minutes with the help of an economizer. When the economizer is included in the system, it is seen that the flue gas temperature decreases from 71.2°C to 50°C. Thus, the flue gas will be cooled and thrown into the atmosphere at a lower temperature. The designed and theoretically calculated economizer was analyzed in the ANSYS CFD program with the finite element method. It has been seen that the results of the theoretical calculations and the numerical analysis are in harmony.