Endüstrideki ısı geri kazanımı, uygulamalı ısı pompaları için çok sayıda olanağı ortaya koymaktadır. Endüstriyel ısı pompalarının iki temel sınıfı açık ve kapalı ısı pompalarıdır. Fabrikasyon, kapalı çevrim makineler akışkanları 50°C ve 105°C’ye kadar yüksek sıcaklıklara ısıtmak üzere yapılmışlardır. Düşük kalitede buhar ve kızgın buhar üretmek için yan yana altlık üzerine monte edilmiş açık yada yarı açık makineler kullanılmaktadır. Endüstriyel ısı pompaları mahal ısıtmasından çok, proses ısıtmasında kullanılırlar. Her ısı pompasının belirli bir uygulamaya yönelik olarak üretilmesi gerekir.
Hava koşulları veya tasarım standartlarından çok, endüstriyel makinelerin çıktı ve sıcaklık düzeylerinin seçimine yön veren etkenler, ekonomik kısıtlamalardan, çevresel standartlardan veya nihai ürün kalite ve çıktısından etkilenir. Bu sistemler genellikle geleneksel sistemlerle birlikte uygulanabildiklerinden tasarımcıya önemli bir esneklik sağlar.
Enerji verimliliğini artırmak ve bu şekilde enerji maliyetlerini azaltmak amaçlı kullanılan ısı geri kazanımlı ısı pompaları; enerji performansı, işletim ekonomisi, işletme ve bakım gibi hususlardaki iyileşmelere katkının yanı sıra aşağıdaki kazanımları da sağlamaktadır.
Depolama tanklarında bakteri oluşumunun önlenmesi,
- Amonyaklı sistemlerde kapasitenin artırılması,
- Şebeke suyu kullanımının azaltılması,
- Proseslere esneklik kazandırma,
- Yıl boyu prosesin (kurutma) olanaklı olması,
- Bilinen hava sobalarıyla karşılaştırıldığında süper bir kurutma kalitesi vermesi,
- Maliyetli kirlilik kontrol ekipmanı kullanımını gerektiren proses yayınımlarının azaltılması,
- Proseslerden çıkan ürünlerin geri kazanımı ve yeniden kullanımı olanakları,
- Çevreye daha az atık salımı.
Enerji azaltımlarıyla ilgili hesaplamalar, bu sistemlerin geri kazanımının 5 yıldan az basit geri ödeme biçiminde olduğunun göstermiştir. Bununla birlikte, enerji maliyetlerinin düşürülmesinin yanındaki diğer kazanımların da mutlaka değerlendirilmesi gerekmektedir.
Kapalı Çevrimli Sistemler
Kapalı çevrimli sistemler genellikle sızdırmaz bir soğutma sisteminde uygun bir proses akışkanı içerir.
Bugün üretimleri durdurulmuş olsa da, öteden beri soğutma devrelerinde CFC-11, CFC-12, CFC-113 ve CFC-114 maddeleri soğutkan olarak kullanılmıştır. Avrupa topluluğu şartnamelerine göre HCFC türü soğutucu akışkanların kullanımı ARTIK yasaklanmış OLUP ısı pompası üreticileri bunlara alternatif akışkanlar olarak, R-407C, R- 417A, R- 421A ve R–410A akışkanlarını kullanmaktadır.
Yüksek sıcaklıklarda çalışmaları dışında, kapalı sistem ısı pompaları genellikle endüstriyel soğutma sistemleri olarak sınıflandırılır. Isı eşanjörlerinin kaynak ve çukur akışkanlarının korozyon etkilerine direnmesi gereklidir.
Soğutkan yağı; (1) eleman malzemelerine uyumlu, (2) beklenen sıcaklık sınırlarında karşılıklı olarak birbirine uygun olmalıdır. Ayrıca, yağ ve soğutkan karışımlarının viskozitesi ile köpürme karakteristikleri, ekipman üzerin deki belirli mekanik ve soğutma yükü koşullarında yağlama niteliklerini koruyabilmelidir. Evaporatör ve kondenserlerde doğru bir ısı transferi ile yağın doğru biçimde kompresöre geri dönmesi sağlanmalıdır. Kapalı çevrimle çalışan bir ısı pompası uygulamasında genellikle düşünülmesi gereken özellikli durumlar vardır. Bu kısımda, kapalı çevrimde çalışan değişik sistemler gözden geçirilecek, seçime yön verecek olan önemli etkenler ele alınacaktır.
Hava-Hava Türü Isı Pompaları yada Nem Alıcı Isı Pompaları; (Şekil 10) Endüstriyel işlemlerde ürünün kurutulması veya ıslahı için çok sıklıkla kullanılır. Örneğin kerestelerin değerini artırmak için nem alma fırınları çok sık kullanılır. Bilinen buhar fırınlarına oranla, ısı pompası iki temel avantaj ortaya koyar: ürün kalitesinin artırılması ve ıskarta oranının azaltılması. Nem alma ile, keresteler düşük bir sıcaklıkta çarpılma, çatlama ve renk atması olmaksızın kontrollü biçimde kurutulabilir. Sistem ağacın türüne ve gerekli kurutma zamanına göre seçilmelidir (örneğin sert veya yumuşak). Nem alma ısı pompaları, zirai ürünleri, kümes hayvanlarını, balık ve et ürünlerini, tekstil ve diğer maddeleri kurutmakta da kullanılabilir.
- Şekil 10- Nem Alıcı ısı Pompası
Hava-Su Isı Pompaları, endüstride üniter cihazlar olarak kullanılmakta olup kapalı çevrimli sistemlerin özel bir türüdür.
Su-Su Isı Pompaları, endüstrideki en yaygın uygulamadır denilebilir. Bunlar su kulesi suyunu, proses atık su akımlarını ve hatta soğutulmuş su devresinin besleme suyunu kaynak olarak kullanabilirler. Su su türü ısı pompaları Şekil 11’de gösterildiği gibi basit olup ısıyı başka bir proseste kullanmak üzere, proses soğutma kulesinden geri kazanılır.
Şekil 11’de Proses suyunun ön ısıtması için bir ısı eşanjörünün devrede bulunuşunu göstermektedir. Isı pompasının COP’si tipik olarak 4∼6 arasında olup, sistemin COP’si 8∼15 arasındadır.
Şekil 11- Soğutma Kulesi Isı Geri Kazanım Isı Pompası
Su-su ısı pompası sistemleri Şekil 12’de gösterilen bir tekstil boyama ve bitirme tesisinde olduğu gibi, bir HRHP sisteminin eklenmesi ile daha karmaşık bir yapı kazanabilir. Değişik proseslerden çıkan atık su akımlarından geri kazanılan ısı proseslere verilen şebeke suyunun ön ısıtmasında kullanılabilir. Atık su akımlarında, ısı eşanjöründe tıkanmalara neden olan, iplik ve tiftik parçacıkları ile güçlü korozif kimyasal maddeler bulunabildiğinden, başarılı bir tasarım için ısı eşanjörlerinin özel malzemelerden yapılması ve kirlenme önleyici elemanlar kullanılmasına gerek duyulabilir.
Şekil 12- Atık Su Geri Kazanım Isı Pompası
Birden fazla kurutucu veya kurutucu kondenser bileşiminin sağlayabildiğinden daha fazla su tüketen bir çok besin işlem tesisi, su türünden bir ısı pompası kullanabilir (Şekil 13). Bir su soğutmalı kondenser soğutkanın hem gizli hem de duyulur ısısından geri kazanım gerçekleştirir. Kondenserde ısınan su iki akıma ayrılır; birisi su su türü ısı pompası için ısı kaynağı olarak kullanılırken diğeri, prosese giden şebeke suyu ve temizlik suyu için ön ısıtma sağlar. Isı pompasının kondenserinde normalde bir çok chiller çalışmasında 11 K olan sıcaklık farkını sağlamak için, ön ısıtılan su depolama tankından gelen su ile harmanlanır. Sıcak su daha sonra, normalde 1.5∼5 ton depolama kapasitesinde olan tanka geri döner.
Şekil 13- Soğutmadan Geri Kazanımlı Isı Pompası
Soğutma yükü, sistemdeki tüm suyu ısıtmak için yetersiz olduğundan, mevcut olan ısıtıcılar (genellikle buhar) yardımcı ısı verirken, kullanım noktalarında proses suyunun kontrol edilmesini de sağlar. Tesiste mevcut soğutma sistemine geri kazanım birimi eklerken aşağıda belirtilen üç önemli husus dikkate alınmalıdır.
- Sıcak soğutkan gazının istenen eşanjöre gönderilebilmesi,
- Soğutma işleminin, sistemin proses gereklerini yerine getirirken, zaman içerisinde uygun bir ısı kaynağı olabileceği dönemleri planlamak,
- Su soğutmalı, boru kovan türü kondenserler ile evaporatif kondenserleri bütünleştirmek.
Soğutkanın akış yönü, iki kondenserli sistemin seri boru tesisatı ile veya üç adet basınç düşürme vanası (PRV) ile kontrol edilir. Bu PRV’lerden birisi sıcak gaz desfrost hattına (en düşük basınca ayarlı), diğeri geri kazanım devresine (orta basınca ayarlı) ve birisi de evaporatif konden- sere (en yüksek basınca ayarlı) konulur. PRV’ler iyi bir kontrol olanağı verirse de sistemi mekanik yönden karmaşık hale getirir. Seri borular basit olmaları yanında, bütün sıcak gazın su soğutmalı kondenserden geçmesini sağlayacak bir boru çapı gerektirdiğinden maliyeti daha yüksek olabilir.
Her soğutma yükü, verdiği çıktı ve üretimin gerekleri yönünden gözden geçirilmelidir. Örneğin, her temizlik sürecinin sonunda buz depolama veya her vardiyanın sonunda sürekli soğutma planlanmış olabilir. Birden çok sistemin bütünleştirilmesinde, sistemin genişletilmesinde olduğu gibi, dengeleme hatları, sıvı hatları, sıvı soğutkan depoları ve diğerleri standart soğutma pratiğine göre tasarlanmalıdır.
Proses Suyu Proses Suyu Isı Pompaları, buhar sıkıştırma kompresörlerini yıpratabilecek kimyasallar içeren ve buharlaşma, yoğunlaştırma, kristalleştirme, ve damıtma proseslerinden çıkan akışkanlara uygulana- bilir. Kapalı çevrimle çalışan bir buhar sıkıştırmalı sistem (Şekil 14) bir buharlaştırma sürecindeki katı ve sıvıları veya bir damıtma sistemindeki iki sıvıyı birbirinden ayırmakta kullanılır. Her iki sistemin COP’leri 8∼10 arasında olup, su kulesinin devreden çıkartılması gibi bir avantaj sağlarlar.
Şekil 14- Kapalı Çevrim Buhar Sıkıştırmalı Sistem
Bu sistemler çoğu zaman kolon veya evaporatör üreticileri tarafından katma değer sistemi olarak adlandırılmaktadır.
Su-su, soğutkan-su ve diğer akışkan sistemlerinin temel avantajları aşağıdaki gibidir:
- Yakıt temelli ısıtmadan ısı geri kazanımı temelli ısıtmaya geçildiğinden enerji maliyetleri azalır,
- Buhar temelli sistemlerden ayrılma nedeniyle, kazan besleme suyu işlemleme maliyetleri düşer,
- Kazan yüklemesi azaldığından NOx, SOx, CO ve CO2 yayımında azalma,
- Katıların ayrılmasında kullanılan su işlemlemeyi verimli hale getiren, prosesten çıkan su sıcaklığında azalma,
- Proses çevriminin başlangıcında kullanılabilecek yüksek sıcaklıkta su bulunması nedeniyle üretim artışı (daha düşük sıcaklıkta başlama gerektiren proseslerde ön ısıtılan su şebeke suyu ile karıştırılabilir),
- Yüksek sıcaklıkta su ile durulama yapıldığından daha yüksek ürün kalitesi (daha düşük bir sıcaklık gerektiğinde ön ısıtmalı su çevresel su ile karıştırmayı gerektirir),
- Soğutma kulesi ve evaporatif kondenserlerde daha düşük su tüketimi,
- Isı geri kazanımı, soğutkan basıncını düşürmekte yada su kulesi dönüş sıcaklığını düşürmede kullanılabildiğinde daha etkili bir proses soğutması,
- Buhar serpantinlerine, cebri hava gaz sistemlerine ve direnç ısıtıcılarına göre daha düşük yüzey sıcaklıkları nedeniyle ısı eşanjörlerinde daha düşük taş yapma olasılığı.
Açık ve Yarı Açık Çevrimli Isı Pompası Sistemleri
Açık ve yarı açık çevrimli ısı pompası sistemleri, buhar sıkıştırma yoluyla sağlanan enerji sıcaklığını artırmada proses akışkanlarını kullanarak kimyasal soğutkanları devre dışı bırakır. En önemli uygulama sınıfı, buharın tekrar sıkıştırılmasıdır. Bu sıkıştırma bir mekanik kompresör yardımı ile veya yeterli miktardaki yüksek basınçlı buhar tarafından tahrik edilen bir termo kompresyon enjektörü ile yapılır. Bu sınıftaki sistemlerde, üç temel kontrol faktörü; buhar kalitesi, kaynama noktasının yükseltilmesi ve kimyasal hazırlamadır. Kazanda üretilen buharın tekrar sıkıştırılması (Şekil 15) aşağıda belirtilen iki temel uygulamaya sahiptir: (1) buhar hatlarında önemli basınç düşümüne sahip olan geniş tesisler, (2) düşük, orta, yüksek buhar gereksinimlerinde ciddi bir dengesizlik bulunan tesisler.
Şekil 15- Kazanda Üretilen Proses Buharının Tekrar Sıkıştırılması Şekil 16- Tek Etkili Isı Pompası Evaporatörü
Kazanda üretilen buhar genellikle kompresör elemanlarında korozyona neden olmayacak düzeyde temizlik standartlarını karşılar. Bu uygulamalarda enerji maliyetleri ile buharın değerlendirilmesi, analitik yöntemlerin kullanılmasını gerektiren, karmaşık bir yapıda olabilir.
Açık çevrimle çalışan ısı pompalarının buharlaşma prosesine uygulanması son derecede önemlidir. Küçük miktardaki sıvı ve katıların ayrılması gereken yerlerde tek etkili evaporatör’ler (Şekil 16) sıklıkla kullanılır.
Bunun en bilinen kullanımı besin ve süt ürünleri sanayisidir. Evaporatörlerin üst kısımlarında toplanan buhar toplanıp sıkıştırılarak sıcaklığı artırılır ve sonra boru tesisatıyla ısıtıcıya (örneğin ısı eşanjörüne) gönderilir. Isı seyreltik durumdaki çözeltiye transfer edilerek, bu çözelti daha sonra borularla evaporatör gövdesine gönderilir.
Evaporatör girişinde, konsantre çözelti dibe, buhar yukarı gönderilerek bir ayrılma ortaya çıkar.
Şekil 17- Çok Etkili Isı Pompası Evaporatör
Sistem COP’si 10∼20‘lere ulaşır ve uzun vadede evaporatörün performansı, ısı eşanjöründen daha aza ürün gerektirecek biçimde gelişir. Genellikle kağıt ve kimya endüstrilerine uygulanan çok etkili evaporatörler (Şekil 17), daha büyük ölçekte de olsa aynı ilkeleri kullanır. Çok etkili evaporatör sistemleri paralel veya seri biçimde bağlanabilirler. Proses çıktısı buhar ısı pompaları, düşük basınçlı doymuş veya kızgın buharla çalışan pişirme, ıslah ve kurutma sistemlerinde kullanılır. Örneğin bir yemek dağıtım tesisinde olduğu gibi, pişirme proseslerinden çıkan buharlar, pişirme için gerekli su buharını üretmek için geri kazanılabilir (Şekil 19)
Prosesten buharla birlikte çıkan yoğuşturulamayan maddelerin, pistonlu yada santrifüj kompresörü yıpratabilirliği nedeniyle buharlar bir vidalı kompresörde sıkıştırılır. Sıkıştırılan buhar pişiriciye ısı kaynağı olarak verilirken, yoğuşarak su haline geçer. Bu kondens suyu bir ısı eşanjörüne gönderilerek besleme suyunu ısıtır.
Yoğuşturulamayan maddeler genellikle yıkanır veya yakılarak su, işlem görmeye gönderilir veya pis su tesisatına atılır.
Bazı proseslerdeki kirletici unsurlar yarı açık çevrimde çalışan ısı pompası gerektirir (Şekil 20). Bu sistem, bacalarından ısı geri kazanımı için, tekrar kaynatma kazanı olarak adlandırılan bir ısı eşanjörü içerir. Bu kazan, daha sonra istenilen sıcaklık ve basınca sıkıştırılmak üzere, düşük basınçlı buhar üretir.
Eğer içerilen kirletici unsurlar önemli miktarda ise bir yerinde temizleme birimi (CIP) uygulanır. Daha yakın ve etkili bir kapasite kontrolü, için bu sistemlerde çoğunlukla değişken hızlı tahrik kullanılır. Acil durumlarda kullanılmak üzere, tahrik
sistemini biraz aşırı hızda çalıştırarak yedekleme yapılabilirken, sistem genelde normal performans vermek üzere nominal işletme koşullarında tasarlanır. Isı pompası ve sistem kontrollerinin doğru yerleştirilmesi gereklidir.
Şekil 18- Damıtma Isı Pompası
Şekil 19- Bir Yemek Dağıtım Fabrikasında Isı Geri Kazanımlı Isı Pompası Sistemi
Isı Geri Kazanımı Tasarım İlkeleri
Isı geri kazanım sistemleri tasarlanırken aşağıdaki temel ilkeler uygulanır:
Özellikle karmaşık proseslerde HRHP’nin termodinamik yönden doğru bir yere konulması için, Termodinamiğin 2. Yasasında yer alan ve ısı eşanjörlerinin tasarımında minimal enerji düzeylerini garanti eden kısıntı analizi kullanılmalıdır. Buna göre;
- Tasarım temel yük koşullarında yapılmalıdır. Isı geri kazanımı sistemleri, işletme maliyetlerini düşürmek için tasarlanır.
- Daha iyi bir sistem dengelemesi için ısıl depolama da düşünülerek proses zaman çizelgesi kullanılmalıdır.
- Mevcut su ısıtma sistemleri, pik yük dönemleri de dikkate alınarak iyi bir sıcaklık kontrolü ile işletilmelidir.
- Isı önce değiştirilir sonra pompalanır. Eğer ısı eşan- jörü sistemde bir ısıl iş sağlamak için ise bu iş, kendisi tarafından kullanılmalıdır.
- Isı kaynağına ek bir soğutma ve / veya ısı çukuruna ek bir ısıtma gerekiyorsa bu durumda bir ısı pompası eklenmelidir.
- Isı pompasının bir tasarım problemini çözmesi beklenmemelidir. Örneğin dengesiz bir soğutma sistemi gibi bir problem, bir ısı pompasının eklenmesi ile daha da ağırlaşabilir.
- Isı eşanjör sistemi ile ısı pompası sistemi arasında tam bir karşılaştırma yapılmalıdır. Sadece ısı değişimine göre, bir ısı pompası ek kurulum ve işletme maliyetleri getirir. Eğer uygulanabilir ise, ısı pompası eşanjörün önüne (girişine) konulmalıdır.
- Isı pompasının yerini aldığı ısının maliyeti değerlendirilmelidir. Eğer kazan çalışması değişmiyorsa veya kazan verimi düşüyorsa, bir ısı pompası ekonomik olmayabilir.
- Isı pompasını tasarlamadan önce, endüstride kulanımda olan ısı eşanjör sistemleri araştırılmalıdır.
- Uzun bir zaman sürecinde kullanılabilecek ısı kaynağı ve ısı çukuru sıcaklıkları ölçülmelidir. Bu veriler, sistem gereksinimlerinde abartılı davranmayı önlerken sistem ekonomisine yardımcı olur.
- Isıl gereksinmeleri ve / veya sistemin kullanılabilirliğini etkileyebilecek olan gelecekteki proses değişiklikleri araştırılmalı
Şekil 20- Bir Tekstil Tesisinde Yarı Açık Çevrim Isı Pompası
Tesisin soğuk suyla temizleme sistemine veya daha düşük atık ısı üreten bir prosese doğru değişip değişmeyeceği belirlenmelidir.
- Sistem, çalıştıranlara daha basit kontrol olanakları sağlayacak biçimde tasarlanmalıdır. Elle kontrol sistemleri ile otomatik kontrol sistemleri tam olarak ve ayrıntılı biçimde tartışılmalıdır.
- Her hangi bir proses akışını ele almak için özel malzeme kullanımına gerek olup olmadığı belirlenmelidir. Her hangi bir akışkan ve şebeke suyu için kimyasal analiz verileri elde edilmelidir.
- Ekipmanın karşılaşması beklenen ve maruz kalacağı tüm çevresel koşullar için ayrıntılı bilgiler elde edinilmelidir.
Kaynak: ÜNTES, TTMD
