Geri Dön

Working fluid ranking using cosmo and Refprop softwares for a mobile waste heat recovery system

Bir seyyar atık ısı geri kazanım sistemi için cosmo ve Refprop programları kullanılarak akışkanların sıralanması

PDF İndir

  1. Tez No: 486545
  2. Yazar: MUTLU ŞİMŞEK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CEM SORUŞBAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

İnsan sağlığını tehlikeye atan en önemli faktörlerden birisi solunum yoluyla alınan havadaki zehirli gazlardır. Havadaki zehirli gazların en büyük kaynağı araçlardan salınan egzoz gazlarıdır. Zararlı egzoz gazlarının salınımını ve yakıt tüketimini azaltmak için devletler tarafından konulan regülsayonlar her geçen yıl daha da zorlayıcı olmaktadır. Araç üreticileri bu regülasyonları sağlayabilmek için çok çeşitli teknolojiler üzerinde çalışmaktadır. Emisyon ve yakıt tüketimini azaltmayı sağlayan teknolojilerden biri de atık ısı geri kazanım (AIGK) sistemleridir. AIGK sistemlerinde Rankine çevrimi ile egzoz gazındaki atık ısı enerjisi geri kazanılarak iş üretilmektedir. AIGK sistemi temel olarak pompa, buharlaştırıcı, genleştirici ve yoğunlaştırıcı parçalarından oluşmaktadır. Bunlara ek olarak yoğunlaştırıcıdan atılan ısıyı dış ortama atmak için su pompası, radyatör ve fandan oluşan bir soğutma sistemi kullanılmaktadır. AIGK sisteminde pompa ile akışkanın sistemde devir daim etmesi sağlanmaktadır. Pompadan çıkan akışkan buharlaştırıcıda egzoz gazı ile buharlaştırılmaktadır. Buharlaştırıcıdan çıkan buhar halindeki ve basınçlı akışkan ile genleştiricide güç üretimektedir. Genleştiriciden çıkan düşük basınçlı buhar halindeki akışkan yoğunlaştırıcıdan geçirilerek sıvı hale geçmektedir. Genleştiriciden çıkan akışkan tekrar pompaya gelerek sistemde devir daim etmektedir. Yoğunlaştırıcıdan soğutma suyuna atılan ısı bir fan yardımıyla radyatörden dış havaya atılmaktadır. Bu sistemde genleştirici güç üretirken AIGK sistemi pompası, su pompası ve soğutma fanı güç tüketmektedir. Üretilen net güç elektrikli veya mekanik yöntemlerle motora aktarılarak emisyonların ve yakıt tüketiminin azaltılması sağlanmaktadır. AIGK sistemlerinde üretilen net gücü etkileyen birçok faktör vardır. Bunlardan bazıları buharlaştırıcı tasarımı, genleştirici tasarımı, yoğunlaştırıcı tasarımı ve sistemde kullanılan akışkandır. Bu çalışmada sistemde kullanılabilecek farklı akışkanların yakıt tüketimine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla Matlab Simulink programında bir model oluşturulmuştur. Bu model üç alt modelden oluşmaktadır. Bunlardan birincisi akışkan özelliklerini hesaplamaktadır. Akışkanların özelliklerini hesaplamak için iki farklı yöntem kullanılmıştır. Birincisi test verilerini temel alan fonksiyonları kullanan REFPROP programıdır. Diğeri ise PubChem veritabanından her akışkan için indirilen molekül yapısını kullanarak termodinamik ve kuantum fiziği hesaplamaları ile akışkan özelliklerini tahmin eden COSMO programıdır. İkinci alt model ise bir Simulink fonksiyonu ile oluşturulan Rankine çevrimi hesaplamalarını yapan modeldir. Bu model AIGK sistemi pompasının basması gereken akışkan debisi, buharlaştırıcı ısı transferi, genleştiricide üretilen güç, yoğunlaştırıcı ısı transferi gibi değerleri hesaplamaktadır. Üçüncü alt model ise tek boyutlu sistem simülasyon programı olan GT-SUITE programında kurulmuş olan soğutma sistemi modelidir. Soğutma sistemi modelinde AIGK sistemindeki akışkanın yoğunlaşma basıncı hava basıncına eşit olacak şekilde fan hızı ayarlanmakta ve su pompasının çektiği güç, fanın çektiği güç, su sıcaklığı gibi değerler hesaplanmaktadır. Üç alt model birbiriyle birleştirilerek bütünleşmiş bir şekilde çalışması sağlanmıştır. Rankine çevrimi hesaplamalarını yapan modelin çıktıları diğer iki modele beslenmekte ve bu modelleirin çıktıları tekrar Rankine çevrimi modeline beslenmektedir. Yakıt tüketimi iyileşmesini karşılaştırmak için zamana bağlı araç test verisi kullanılmıştır. Bu test verisinden egzoz debisi ve sıcaklığı değerleri alınmıştır. Son olarak, tüm bu hesaplamaları her akışkan için tekrarlatan ve sonuçları kaydeden REFPROP ve COSMO için iki ayrı Matlab kodu yazılmıştır. Her iki yöntem ile akışkanlar yakıt tüketimi iyileşmesine göre sıralanmış ve iki program ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. COSMO ve REFPROP ile hesaplanan akışkan özellikleri karşılaştırıldığında sonuçların bazı akışkanların bazı özellikleri için yakın olduğu gözlemlenmiştir. Benzer şekilde sonuçlar bazı akışkanların bazı özellikleri için de çok farklı olabilmektedir. Zamana bağlı REFPROP simülasyon sonuçlarına bakıldığında bazı akışkanlar için hedef yoğunlaşma basıncı sağlanamamıştır. Bunun nedeni kullanılan fanın yeterli soğutmayı sağlayamamasıdır. Bu nedenle yoğunlaşma basıncı ve sıcaklığı yüksek kalabilmektedir. REFPROP sonuçlarına bakıldığında bazı akışkanların ısı kapasitelerinin düşük olmasından dolayı buharlaşma sıcaklıklarının düşük olduğu gözlemlenmiştir. Isı kapasitesi düşük olan akışkanlar buharlaştırıcıda sıvı fazda çok hızlı ısınmakta ve sıvı sıcaklığı egzoz sıcaklığına çok hızlı yaklaşmaktadır. Bu nedenle daha erken sıcaklıkta buharlaşmakta ve buharlaşma sıcaklığı düşük olmaktadır. REFPROP sonuçlarından çıkarılan bir diğer sonuç buharlaşma sıcaklığı ile yakıt tüketimi iyileşmesi arasında doğru orantı olmasıdır. Bu sonuç Rankine çevriminde buharlaştırmanın ne kadar yüksek sıcaklıkta ve yoğulaştırmanın ne kadar düşük sıcaklıkta yapılırsa verimliliğin o kadar yüksek olacağı gerçeği ile uyumludur. Tüm akışkanların yoğunlaşma basıncı ortam basıncına eşit olmasına çalışıldığından dolayı yoğunlaşma sıcaklığı tüm akışkanlar için birbirine yakın değerler almaktadır. Bu nedenle Rankine çevriminin verimliliğini etkileyen tek etken olarak buharlaşma sıcaklığı kalmaktadır. Sonuçlarda da gösterildiği gibi buharlaşma sıcaklığı ne kadar yüksek ise yakıt tüketimi iyileşmesi o kadar yüksek olmaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre akışkan özellikleri COSMO programı ile hesaplandığında en iyi yakıt tüketimini sağlayan akışkanın ethenol olduğu bulunmuştur. Akışkan özellikleri REFPROP programı ile hesaplandığında ise en iyi yakıt tüketimi iyileşmesi sağlayan akışkanın siklopentan (cyclopentane) olduğu bulunmuştur. COSMO sonuçları ile REFPROP sonuçları karşılaştırıldığında en iyi yakıt tüketimi iyileşmesine göre sıralamanın birebir aynı olmasa da birbirine çok yakın olduğu bulunmuştur. Ancak en iyi yakıt tüketimi iyileşmesini sağlayan akışkan her iki program ile birbirinden farklı bulunmuştur. Molekül yapısına bakarak tahmin yapan COSMO programına göre REFPROP programı test verilerini esas aldığından REFPROP ile elde edilen akışkan sıralamasının daha güvenilir olduğu sonucuna varılmıştır. Dolayısıyla COSMO programı test verisi olmayan veya olan milyonlarca akışkanın değerlendirilmesi için uygun bir program olarak kullanılabilir. Ancak daha kesin ve nihai akışkan değerlendirmeleri için test verisini esas aldığından REFPROP programı kullanılmalıdır. Sonuç olarak bu uygulamada kullanılan sınır koşullarına göre kullanılabilecek olan en iyi akışkanın siklopentan (cyclopentane) olduğu sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

A simulation methodology is developed for the working fluid assessment using COSMO and REFPROP softwares for a WHR system that employs Rankine cycle to generate useful work by utilizing waste exhaust heat of a heavy-duty internal combustion engine. The methodology has two distinct approaches for working fluid assessment compared to the methodologies in literature. First, it compares the working fluids in transient cycles rather than at a limited number of steady state operating points. Secondly, a fixed condensation pressure is used as a constraint rather than fixed condensation temperature. These two approaches enable a more realistic working fluid assessment. Two fluid properties are developed with COSMO and REFPROP softwares. These fluid properties models are interchangeable without any need to modify the main integrated model. A Rankine cycle model is developed in Simulink to carry out thermodynamic calculations. A cooling model is also developed in GT-SUITE in order to factor in the effect of pump and fan power consumption. These three models are integrated in Simulink model. A Matlab script is written for each fluid properties model to run the integrated model iteratively for different working fluids. Simulations are carried out for 146 working fluids that are commonly analyzed in literature. Simulation results show that ethenol provides the highest fuel economy benefit when working fluid properties are calculated with COSMO software whereas cyclopentane provides the highest fuel economy benefit when working fluid properties are calculated with REFPROP. Moreover, COSMO fuel economy results are compared to REFPROP fuel economy results and it is shown that COSMO results are in good agreement with REFPROP results. However, the use of predictive softwares such as COSMO affects the working fluid ranking. Hence, an empirical software or data should be used for fluid properties for a precise working fluid ranking. As a result, it is concluded that cyclopentane is the most suitable working fluid to be used in a WHR system for a heavy-duty engine for the best fuel economy and environmental safety.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    765349

    Designing of an organic rankine cycle power plant by using low enthalpy geothermal resources

    Düşük entalpili jeotermal kaynakları kullanarak organik rankine çevrimi elektrik santrali tasarımı

    MURAT KARADAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    EnerjiAydın Adnan Menderes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUNUS ÇERÇİ

  2. Tez No

    488096

    Gemilerde atık enerjinin transkritik organik rankine çevrimi ile geri kazanımı

    Recovery with waste energy transcrital organic ranking cycle in ships

    İBRAHİM KAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    EnerjiYıldız Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASİN ÜST

  3. Tez No

    617173

    Bir üniversite hastanesinde iş kazalarının incelenmesi ve bulanık Topsis yöntemi ile alınacak önlemlerin sıralandırılması

    Examination of work accidents in a university hospital and sorting of measures to be taken by fuzzy Topsis method

    MELEK IRMAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    KazalarAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    İş Sağlığı ve Güvenliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH YILDIZBAŞI

  4. Tez No

    629569

    Fotovoltaik panelli yoğunlaştırılmış güneş sistemi ile organik rankine çevriminden oluşan hibrid sistemin performans analizi

    Performance analysis of an organic rankine cycle system using concentrated solar system coupled with photovoltaic panels

    MUSTAFA ÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR EROL

  5. Tez No

    531005

    Orta kapasiteli dizel motorlarında atık ısıdan rankine çevrimi ile enerji geri kazanımı

    Energy recovery from waste heat of medium duty diesel engine with organic rankine cycle

    AHMET SİNAN KARTAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE

Geri Dön