Isıtma sistemlerinden ısı geri kazanımında ısı borularının uygulanabilirliği, ekserji ve ekonomik analizi

Abstract

IIIÖZET(Isıtma Sistemlerinden Isı Geri Kazanımında Isı Borularının Uygulanabilirliği,Ekserji ve Ekonomik Analizi)Isı boruları, oldukça yüksek ısıl iletkenliği olan iki fazlı, ısı taşıma cihazlarıdır. Isıborulu ısı değiştiriciler, genellikle bir gaz ortamdan bir başka gaz ortama ısı transferisağlayan sistemlerde yaygın olarak kullanılır. Gaz ortamdan sıvı ortama ısıaktarımında ise bu sistemlerin kullanımı yaygın değildir. Bu konu ile ilgili literatürde sınırlı sayıdadır. Bu çalışmada, ısı borularıyla çeşitli sistemlerden atılan bacagazından ısı geri kazanımı amaçlanmıştır. Baca gazlarından suya ısı geri kazanımsağlamak amacıyla, gaz-su tipi IBIGK sistemi deneysel olarak incelenmiştir.Bu çalışma iki ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, tasarımı ve üretimigerçekleştirilen bakır-su ısı borusu, farklı güçlerde çalıştırılmıştır. Farklı eğimaçılarında ve soğutma suyu debilerinde, ısı borusu yüzeyindeki belirli noktalardakisıcaklık dağılımı ve ısı akısı deneysel olarak incelenmiştir. Yapılan deneylersonucunda, ısı borusunun kondenser kısmında dolaşan akışkan miktarının artması iletoplam ısı transfer katsayısının da arttığı görülmüştür. Aynı şekilde, evaporatörkısmına uygulanan ısı yükünün artmasıyla da ısı transfer katsayısının arttığıgörülmüştür. Çalışmadan elde edilen deneysel verilerin istatistiki analizi, SPSSprogramıyla yapılmıştır. Analiz sonucunda, toplam ısı transfer katsayısı ve ısıakısının; eğim açısı, doyma sıcaklığı, su debisi ve sıcaklığına bağlı olarak değiştiğitespit edilmiştir. Isı akısı ve ısı transfer katsayısının, bu değişkenlerle arasındakiilişkiyi veren eşitlikler türetilmiştir.Çalışmanın ikinci bölümünde iş akışkanı olarak su kullanan, yerçekimi destekli, ısıborulu ısı geri kazanım sistemi, tasarımlanıp üretimi gerçekleştirilmiştir. IBIGKsistemi, düz sıralı olup, toplam 16 ısı borusundan oluşmuştur. Isı değiştirici karşıtakışlı tiptedir. Isı geri kazanım ünitesinin evaporatör bölgesi kanatlı olarak dizaynedilmiştir. Üretimi yapılan ısı geri kazanım sistemi, farklı baca hızı ve sıcaklıklarındaçalıştırılmıştır. Deneysel çalışmadan elde edilen verilerin analizi yine SPSS programıile yapılmıştır. Gaz ve su tarafları etkinliklerinin, baca gazı sıcaklığı, baca gazı hızı,su sıcaklığı, su debisi ve sıra sayısına göre değişimini veren eşitlikler türetilmiştir.Yapılan analizler sonucunda, sıra sayısı ve baca hızının artmasıyla basınç kaybınınarttığı gözlemlenmiştir. Aynı şekilde kondenser bölgesindeki su debisinin artışı ile deetkinliğin yükseldiği görülmüştür.Sonuç olarak, IBIGK sistemlerinin baca gazından suya ısı geri kazanımında başarı ilekullanılabileceği görülmüştür. Bu sistemlerin daha yaygın olarak kullanılmasıylaekonomik yararlarının yanı sıra çevre kirliliğinin azaltılmasına da olumlu katkısıolacaktır. Ayrıca bu çalışma, mevcut literatür eksikliğinin giderilmesine de bir katkısağlayacaktır.ANAHTAR KELİMELER: Isı borusu, Termosifon, İki fazlı kapalı termosifon, Isıgeri kazanımı, Isı borulu ısı geri kazanım sistemi, Isı borulu ısı değiştirici

IVABSTRACT(Applicability of Heat Pipes for Heat Recovery from Heating Systems, Exergyand Economic Analysis)Heat pipes are two-phase heat transfer devices those have extremely high effectivethermal conductivity. Generally, heat pipe heat exchangers are used to transfer heatenergy from one gas stream to another one. The literatures about heat recovery fromgas to water stream are very limited. The aim of this work is to investigate heatenergy recovery from flue gas with heat pipes. For this purpose an experimentalstudy was implemented using heat pipe heat recovery system from gas to water.This work consists of two main parts. In the first part, copper-water heat pipe isdesigned, produced and tested at the various heat loads. Temperature distributions onthe different locations of heat pipe surface and heat flux are investigated with variousslope angles and cooling water flow rate. In result, overall heat transfer coefficient isincreased with increasing condenser cooling water flow rate. Similarly it is alsoincreased with increasing heat load, which is applied to evaporator of the heat pipe.Experimental results are studied statistically by using SPSS computer program. It isconcluded that overall heat transfer coefficient and heat flow vary with slope angle,saturated temperature, water flow rate and water inlet temperature. An empiricalequation is derived from experimental results using SPSS computer program.In the second part of this work, using water as the working fluid, gas to water heatexchanger using thermosyphon heat pipes were designed, constructed and testedunder medium temperature operation conditions. This system has 16 pipes. Thesepipes are designed as in line bundle geometry. The heat exchanger is counter-flowtype. The evaporator of heat recovery system is designed as extended plate surface.Heat pipe heat recovery system is produced and tested at various flue gastemperature and velocity. Experimental results were studied statistically with SPSScomputer program. The effectiveness of evaporator and condenser parts of heat pipeheat recovery system are tested at the various flue gas temperature, flue gas velocity,water inlet temperature, water flow rate and number of rows. An empirical equationis obtained from those mentioned variables. In the result of this analysis, pressuredrop on the gas stream increases with the increasing number of rows and increasingflue gas velocity. Similarly, effectiveness also increases with the increasing waterflow rate.In overall conclusion, it is shown that heat pipe heat recovery systems can be usedfor the gas to water heat exchangers successfully. When this kind of systems arewidely used in the industry, not only air pollution is decreased but also energy savingis provided. It is assumed that this work can be used as a reference study andprovides a contribution to the rare number of studies in this category.KEY WORDS: Heat pipe, Thermosyphon, Two-phase closed thermosyphon, Heatrecovery, Heat pipe heat recovery system, Heat pipe heat exchanger