Haddehane tav fırınında enerji verimliliği analizi
Energy efficiency analysis in industrial reheating furnace
Yazar: BUĞRA KAĞAN SARPKAYA
Danışman: PROF. DR. HÜSAMETTİN BULUT
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Brayton çevrimi = Brayton cycle ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Organik rankine çevrim sistemleri = Organic rankine cycle systems ; Rankine çevrimi = Rankine cycle ; Tav fırını = Annealing furnace

Özet:
Endüstriyel fırınlar, sanayi tesislerinde en çok enerji tüketen sistemlerdir. Enerji maliyeti, endüstriyel fırınların olduğu sistemlerde hammaddeden sonra en büyük girdidir. Endüstriyel işletmelerde, yüksek sıcaklıkta çalışan tavlama fırınları, yakıt tüketimi ve atık gazlarının çevreye yaptığı kirliliği azaltma açısından mümkün olduğunca verimli çalıştırılması gerekir. Enerji maliyetlerindeki artış, sanayi tesislerinde atık ısının enerji yönetiminde önemli bir konusu yapmıştır. Atık ısıdan ısı geri kazanımı ve önemli enerji tasarrufu elde etmek için ekonomizer, reküperatör, Organik Rankine Çevrimi (ORC) ve Brayton çevrimi gibi sistemler ve güç çevrimleri kullanılabilir. Sistemlerin doğru seçimi ve uygun çalışabilmesi için öncelikle atık ısının olduğu yerlerin belirlenmesi ve sistemlerin enerji ve ekonomik analizlerinin yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, bir yassı yapısal çelik üretim tesisinde bulunan endüstriyel tav fırınının atık baca gazından yararlanarak güç üretimi sağlamak için Brayton, Brayton-Rankine ve ORC Çevrimlerinin enerji analizleri yapılmıştır. Analizlerde sistem ısıl verimi, net güç üretimi ve atmosfere salınımı engellenen CO2 miktarları hesaplanmıştır. Analizlerdeki tüm hesaplamalar Engineering Equation Solver (EES) paket programı yardımı ile yapılmıştır. Analizlerde, en yüksek verim ve güç çıktısı %46.64 ısıl verim, 3524 kW net güç ve saate 1555 kg-CO2 ile salınım ile tav fırını sonrası Brayton-Rankine birleşik güç çevrimine ait olduğu belirlenmiştir. Reküperatör sonrası ORC'nin çevriminde n-pentan, siklo-hekzan ve Tolüen akışkanları kullanılması durumunda en uygun akışkanın siklo-hekzan olduğu görülmüştür. Reküperatör sonrası ORC güç çevriminde çalışma akışkanı olarak siklo-hekzan kullanımında %21.68 ısıl verim, 518.2 kW güç ve 228 kg-CO2 salınımı elde edilmiştir. Tav Fırını reküperatör sonrası ORC güç çevrimlerinde basit geri ödeme süresi 2.5 yıl olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Industrial furnaces are the systems that consume the most energy in industrial facilities. Energy cost is the biggest input after raw material in systems with industrial furnaces. In industrial enterprises, annealing furnaces operating at high temperatures should be operated as efficiently as possible in terms of fuel consumption and reducing the pollution of waste gases to the environment. The increase in energy costs has made waste heat an important issue in energy management in industrial facilities. Systems such as economizer, recuperator, Organic Rankine Cycle (ORC) and Brayton cycle, and power cycles can be used to recover heat from waste heat and achieve significant energy savings. For the correct selection and proper operation of the systems, it is necessary to determine the places where the waste heat is located and to make energy and economic analyzes of the systems. In this study, energy analyzes of Brayton, Brayton-Rankine and ORC Cycles were carried out to provide power generation by utilizing the waste flue gas of an industrial annealing furnace in a flat structural steel production facility. In the analysis, the thermal efficiency of the system, the net power generation and the amount of CO2 that is prevented from being released into the atmosphere were calculated. All calculations in the analyzes were made with the help of the Engineering Equation Solver (EES) package program. In the analyzes, it was determined that the highest efficiency and power output belonged to the Brayton-Rankine combined power cycle after the annealing furnace, with a thermal efficiency of 46.64%, a net power of 3524 kW and an emission of 1555 kg-CO2 per hour. In the case of using n-pentane, cyclo-hexane and toluene fluids in the cycle of the ORC after the recuperator, it was seen that the most suitable fluid was cyclo-hexane. In the after recuperator ORC power cycle, 21.68% thermal efficiency, 518.2 kW power and 228 kg-CO2 per hour emission were obtained in the use of cyclo-hexane as the working fluid. The simple payback period for ORC power cycles after the Annealing Furnace recuperator has been calculated as 2.5 years.